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基于刚柔耦合动力学的火炮射击稳定性优化

王飞  
【摘要】:射击稳定性是火炮的关键性能指标之一,对射击精度、射速、可靠性有着重要影响,本文以提高火炮射击稳定性为研究目标,综合利用火炮设计理论、多体系统动力学、灵敏度分析及优化设计理论,对某大口径火炮发射过程的刚柔耦合系统动力学及射击稳定性多目标优化进行探索研究,为该类火炮总体设计和结构设计提供一定的理论依据和技术参考。对基于第一类拉格朗日方法的多体系统动力学方程进行了介绍,阐述了基于模态展开的构件变形数学描述方法,分析了Dubosky形式的法向和切向接触力的计算方法,针对火炮发射动力学微分方程的特点,重点讨论了刚性微分方程的数值求解方法。针对某大口径火炮结构组成和发射过程的特点,给出了火炮多体系统的拓扑结构;建立了身管、摇架和上架的有限元模型,通过模态分析获得柔性构件变形计算所需的固有振动频率及振型、节点及单元信息,通过界面节点实现柔体与刚体、铰、载荷等的信息交换;建立了炮膛合力、制退机力、复进机力等发射载荷的数学模型,通过动态链接库实现了发射载荷与刚柔耦合动力学模型的对接。利用数值计算的方法获得了火炮射击稳定性规律,对火炮后坐和复进时期的动态稳定性进行了分析,利用射击试验测试结果对所建立的动力学模型进行了验证。基于变分法建立了火炮总体结构参数敏感度分析模型,以射击稳定性和炮口扰动为目标函数进行实验设计,调用刚柔耦合动力学模型进行分析计算,找出了对火炮射击稳定性和炮口扰动影响较大的总体结构参数,为进一步的优化研究奠定了基础。定义了设计变量、约束条件及目标函数,根据ADAMS/Solve模型数据结构,应用Fortran语言编制了基于遗传算法的火炮射击稳定性和炮口振动多目标优化程序,对某大口径火炮总体结构参数进行了多组优化计算,对优化获得的设计参量进行了规整,进行了火炮刚柔耦合动力学分析,计算结果表明射击稳定性和炮口扰动的优化效果显著。


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