基于虚拟样机的某车载转管机枪在不同激励下振动特性研究

第一作者王瑞林男，教授，博士生导师，1963年生

基于虚拟样机的某车载转管机枪在不同激励下振动特性研究

王瑞林1，化斌斌1，李涛2，张本军1，蔡伟3

(1.军械工程学院火炮工程系，石家庄050003；2.防空兵学院高炮系，郑州450052；3.中国兵器试验中心，吉林白城137001)

摘要：为研究某型车载转管机枪在外部激励作用下的振动特性，利用虚拟样机技术对该武器系统进行强迫振动分析。分析该型机枪系统拓扑结构及所受载荷，利用ADAMS软件建立车载转管机枪的刚柔耦合模型及武器振动方程，用所建立虚拟样机模型对车载状态下转管机枪的振动特性进行仿真测试，主要研究路面激励与车辆行驶速度激励，获得机枪系统在不同激励下的振动。计算结果为车载机枪试验与进一步参数匹配优化及提高机枪射击精度奠定基础。

关键词：转管机枪；振动特性；刚柔耦合模型；虚拟样机；激励

收稿日期：2015-01-27修改稿收到日期：2015-04-07

中图分类号:TJ21

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.20.036

Abstract:To study vibration characteristics of certain vehicular Gatling gun under external excitation, the virtual prototype technique was proposed to analyze the forced vibration of the gun system. The topological structure of the gun system and the loading were analyzed, and using the software ADAMS, a rigid-flexible coupling model of vehicular Gatling gun as well as the weapon’s vibration equations were established. The presented virtual prototype model was then used to simulate and test the vibration characteristics of the vehicular Gatling gun. The road surface excitation and vehicle speed excitation were especially focused to get the vibration responses under different excitation conditions. The calculation results provide reference to the test, parameter matching and optimization of vehicular guns, which lays a foundation for improving the firing accuracy.

Vibration characteristics analysis of certain vehicular Gatling gun under different excitation conditions based on virtual prototype

WANGRui-lin1,HUABin-bin1,LITao2,ZHANGBen-jun1,CAIWei3(1. Department of guns engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China;2. Department of Antiaircraft Gun, Air Defense Forces Academy, Zhengzhou 450052, China；3. Chinese Weapon Test Center, Baicheng 137001, China)

Key words:Gatling gun; vibration characteristics; rigid-flexible coupling model; virtual prototype; excitation

系统在持续激励产生的振动称为强迫振动[1]。激励来源主要有：①力激励，为可直接作用于物体的外力，也可为往复运动或旋转不平衡引起的惯性力；②支承运动所致位移、速度及加速度激励。系统振幅与外激励频率关系极大，当激振频率与系统固有频率相等或相近时会致系统振幅剧增，发生共振[2]。

搭载改装车辆平台时机枪系统结构及受力状态更复杂，研究车载状态下机枪在外部激励作用的振动特性，不仅为避免系统射击过程中发生共振，亦为对武器系统作进一步动力学分析及为虚拟样机模型仿真计算研究奠定基础。

车载状态影响转管机枪振动特性不确定因素较多，进行激励力振动测试难度也较大。本文主要研究路面激励、车辆行驶速度激励。目前车辆在路面与车速激励下的振动分析一般用振动台形式进行研究[3-5]，或建立简化的数学模型求解获得[6-7]。本文通过ADAMS建立车载转管机枪系统的虚拟样机模型进行跑车仿真试验研究系统的振动特性。

1虚拟样机模型建立

1.1车载转管机枪系统拓扑结构

以枪管轴线指向枪口方向为x轴正向，竖直向上为y轴正向，右手准则确定z轴正向。箭头表示车体-机枪系统中各主要构件相互间作用。车载转管机枪武器系统拓扑结构见图1，主要构件间运动副关系见表1。

图1　系统拓扑结构 Fig.1 System topology structure

约束副类型构件1构件2齿轮副储能装置内齿轮储能装置外齿轮平移副滑板活塞节套旋转副击锤套管接触副机心导向轮行星体接触副机头体开(闭)锁凸轮接触副机心体机头体耦合副轮胎轮胎

1.2悬架-路面系统模型建立

用ADAMS软件创建整车体模型，主要包括汽车底盘模型、双臂式前独立悬架模型、转向机构模型、斜置臂式后悬架模型、轮胎模型及路面谱等。据实际武器系统车体模型用Fiala轮胎模型，在不将倾角作为主要因素且在纵向、横向滑移分开情况下，对操纵性分析可获得较好结果。其无量纲表达式为

(1)

式中：Py为轮胎侧偏力；Ma为回正力矩；μ为附着系数；Pz为垂直载荷；Lr为轮胎印迹长度；φ为无量纲侧偏角。

参考国际路面分级表示方法，我国制定出GB7031 -86《车辆振动输入与路面平度表示方法》[8]，所用与ISO/TC108/SC2N67相同路面分级方法及表达式为

(2)

式中：n为空间频率，表示每米长度所含n个波长；n1，n2分别为路面谱的上、下限空间频率；n0=m-1为参考空间频率；G(n0)为路面不平度系数即参考空间频率n0下路面功率谱值；W为频率指数，决定路面谱的频率结构，一般W=2。

按GB7031-86提供的路面功率谱数据，用逆傅里叶法模拟A-H级路面，利用Matlab生成仿真所需路面文件。本文选B、C、D三级路面进行车辆振动特性研究，生成C级随机路面谱见图2。

图2　C级路面 Fig.2 C grade road

1.3载荷确定

该枪射击状态下承受的外力主要有枪膛合力、气室压力、自身产生的摩擦阻力及弹簧作用力。在建立运动副过程中已加入弹簧力；阻力大小可通过计算式作为外力添加。此处主要介绍气室压力的确定。

进入气室的火药气体对活塞作用力F的确定为

F=pdexp[-(t-t′)/b]×

{1-exp[-a(t-t′)/b]}S′

(3)

式中：F为气室压力；pd为弹丸经导气孔瞬间膛内平均压强；b为与膛内压力冲量有关的时间参数；a为与导气装置结构尺寸有关参数；t为气室压力工作时间；S′为活塞横截面积。

计算得转管机枪气室压力曲线见图3。

图3　气室压力变化曲线 Fig.3 Chamber force curve

1.4刚柔耦合模型建立及验证

由于计算模型的复杂性，需对其进行简化处理。刚度较大、变形较小部件可视为刚性体；对运动、受力无影响部件可进行等效质量及转动惯量处理[9-10]。本文中枪管、托架、摇架等零部件在射击过程中可能产生较大变形从而影响射击精度，视为柔性体。所建车载转管机枪系统刚柔耦合模型见图4。

图4　车载机枪刚柔耦合模型 Fig.4 Rigid-flexible coupling model of vehicular machine gun

据标准条件的外弹道理论，建立高速旋转弹丸近距离立靶弹着点散布模型[11]为

(4)

式中：θy0，θz0分别为弹丸出枪口时绕y、z轴转角；vy0，vz0分别为弹丸出枪口y、z向速度；y0，z0分别为弹丸出枪口y、z向位移；X为射击距离。

由虚拟样机模型，用式(4)计算获得机枪射弹散布。高、低射频水平路面车体自由状态下射击相关参数试验与仿真数据见表2。由表2看出，仿真计算结果与试验数据非常接近，说明所建模型能较好反映武器的运动特性。

表2　试验与仿真结果

2系统振动方程建立

设车辆直线行驶，左右轮胎受相同路面激励，前后轮胎轮辙宽度相同，车辆在路面行驶时引起的强迫振动可简化为1/2系统模型，见图5。图中Y为车体垂直跳动；Φ为车体纵向摇摆；yf，yr分别为前、后轮跳动；Kf，Cf，Kr，Cr分别为前、后悬架刚度、阻尼；kf，cf，kr，cr分别为前、后轮胎刚度、阻尼；qf，qr分别为前、后轮胎下路面垂直不平度值。

图5　1/2车辆系统简化模型 Fig.5 Simplified model of vehicle system

以车体为受力对象，考虑微幅振动，据Y向力平衡关系，有

(5)

据质心力矩平衡关系有

(6)

以前后轮为受力对象，据垂直方向力平衡关系有

(7)

(8)

qr(t)=qf(t-τ)

(9)

式中：τ=L/v，L为轴距，v为车速，τ为作用于后轮不平路面输入相对前轮的延迟时间。

式(5)～式(8)可统一写为

(10)

3仿真分析

选车速2 m/s、4 m/s、6 m/s，分别在B、C、D三级路面行驶。仿真时车辆在水平路面达到静平衡后匀加速至设定车速，再驶入各级路面，仿真时间10 s。

3.1不同车速的振动分析

以6 m/s为例，车辆分别在B、C、D三级路面行驶，所得枪口点高低方向位移曲线见图6。由图6看出，随路面不平度增大，枪口高低方向跳动量不断增大。

图6　不同路面下枪口Y向位移曲线 Fig.6 Muzzle displacement curve in Y direction under different roads

取车辆在各级路面行驶阶段枪口高低跳动角加速度历程进行傅里叶变换，获得不同路面下枪口跳动角加速度频谱曲线见图7。由图7看出，枪口在路面激励0.8～1.2 Hz范围内振动最强烈，6 m/s下在B、C、D三级路面行驶时枪口跳动最大角加速度分别为6.15 deg/s2、7.11 deg/s2、13.5 deg/s2。较B级路面，C级路面下增大15.6%，D级路面下增大119.5%，即路面不平度增大会使枪口跳动加剧。

图7　不同路面下枪口角加速度频谱图 Fig.7 Muzzle angular acceleration frequency spectrogram under different roads

3.2不同路面的振动分析

以B级路面为例，车辆分别以2 m/s、4 m/s、6 m/s速度行驶，所得枪口点高低方向位移曲线见图8。由图8看出，枪口高低方向跳动量随车速增大不断增大，在2 m/s时较平缓，6 m/s时振幅变化最大。

取车辆不平度路面行驶阶段枪口高低跳动角加速度历程进行傅里叶变换，获得不同车速下枪口跳动角加速度频谱曲线见图9。由图9看出，枪口在路面激励0.8～1.2 Hz范围内振动最剧烈。在B级路面以2 m/s、4 m/s、6 m/s速度行驶时枪口跳动最大角加速度分别为5.41 deg/s2、5.84 deg/s2、6.15 deg/s2，4 m/s、6 m/s车速较2 m/s时分别增大7.95%、13.68%。

图8　不同车速下枪口高低位移曲线 Fig.8 Muzzle displacement curve in Y direction under different speeds

图9　不同车速下枪口角加速度频谱图 Fig.9 Muzzle angular acceleration frequency spectrogram under different speeds

4结论

通过建立某车载转管机枪刚柔耦合虚拟样机模型、构建不平度等级路面，对该武器系统在外部激励下的振动特性进行仿真计算。结论如下：

(1)影响车载武器振动重要因素为路面等级及车速。同车速下枪口振动随路面等级增大显著增大；相同路面下，随车速增大枪口振动不断增大。

(2)受迫振动下枪口频响函数仿真研究，为车载机枪样机试验及进一步结构优化、改进，提高抗振动能力与机枪射击精度奠定基础。

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