炮口制退器优化设计理论与方法研究

【摘要】： 炮口制退器是火炮上一个重要膛口装置，它可以减小火炮的后坐力和后坐位移，但同时会引起炮手方向冲击波超压值增加。本文采用流场数值模拟的方法和基于遗传算法、试验设计技术和近似模型的优化方法对炮口制退器进行了深入研究，所研究内容主要包括制退器性能评价、炮口制退器结构优化以及膛口流场发展机理研究。 应用非定常无粘欧拉方程建立了无弹丸、无初始流动流场计算模型。以非结构网格对流场划分网格，应用有限体积法对方程组进行数值求解。得到整个流场中超压值分布。为了综合衡量制退器性能，对炮口制退器效率计算分三种计算方法进行了研究。结合实验测试的炮口制退器效率计算，结合膛口流场数值模拟制退器效率计算方法以及传统半经验炮口制退器效率计算方法。其中结合膛口流场数值模拟炮口制退器效率计算方法又可按流动类型分为定常流计算和非定常流计算两种情况。 以二维无粘膛口流场计算为基础，采用多岛遗传算法对斜切扩展喷口制退器的效率进行了单目标优化，得到了在给定约束条件下的最优解，并将二维模型优化结果应用到三维模型中进行了验算。采用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ对该斜切扩张喷口制退器结构参数以制退器所受冲击力和炮手方向某给定点超压值为目标进行了多目标优化，优化得到了Pareto最优解集。 采用三维无粘流场数值计算，以拉丁超立方方法对炮口制退器性能进行仿真试验研究，在试验研究结果的基础上分别应用响应面方法和Kriging方法生成制退器性能近似模型，最后以近似模型代替流场数值计算，采用多岛遗传算法和NSGA-Ⅱ对制退器性能分别进行了单目标优化和多目标优化。通过多目标优化得到了Pareto最优解集。在最优解集中选择制退器效率较高的一个设计方案作为优化后模型制退器B，进行了流场验证计算，验证表明近似模型具有很高的近似精度。最后对该结构炮口制退器进行了静强度校核，校核结果表明制退器结构强度满足要求。 采用N-S方程结合标准κ-ε两方程模型，建立了含弹丸运动以及初始流场的膛口流场数值模型。分别采用以下方案对膛口流场发展机理进行了研究：无膛口装置二维轴对称多组分模型；带炮口制退器二维轴对称模型；带现役炮口制退器A三维模型；带孔式炮口制退器B三维模型。通过计算得到了清晰的膛口流场波系结构，对膛口流场发展规律进行了分析。根据计算结果对比了制退器A和制退器B之间综合性能上的差异，对比结果表明孔式制退器B的性能在两个方面均优于制退器A，其降低冲击波超压值的效果很明显。最后通过实验测试对炮口制退器A综合性能进行了验证研究。

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