面向惯性装填的输弹运动研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:郭威()男硕士研究生:.通信作者:张鹏军()男博士副教授硕士生导师:.:./.面向惯性装填的输弹运动研究郭 威张鹏军吕云飞张泽健刘中跃(.中北大学 机电工程学院 太原.重庆建设工业(集团)有限责任公司 重庆)摘要:为实现不同装填角度下弹丸的卡膛速度一致性和降低输弹运动的峰值功率以提高输弹一致性和减轻动力系统负荷根据惯性装填工作原理运用非对称式 型速度规划方法调整输弹运动状态并基于虚拟样机仿真建立了参数化的输弹运动模型 以弹丸的卡膛参数为约束面向惯性装填建立输弹运动优化模型以实现不同装填角度下弹丸的卡膛速度一致性及降低输弹峰值功率 采用多岛遗传算法和修正可行方向法组合优化策略求解优化模型优化结果表明:优化后的输弹运动可实现不同装填角度下弹丸的卡膛速度一致性且输弹运动峰值功率降低了 验证了该方法的有效性关键词:惯性装填输弹运动过程卡膛速度一致性峰值功率组合优化策略本文引用格式:郭威张鹏军吕云飞等.面向惯性装填的输弹运动研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.().):.:引言惯性装填具备装填速度快、输弹时间短等优点在大口径火炮自动装填领域有着广阔前景 输弹过程由强制输弹和惯性输弹两部分组成强制输弹阶段通过输弹机构赋予弹丸运动所需的总能量惯性输弹阶段经一系列能量损耗(重力、摩擦、碰撞影响)在惯性作用下完成卡膛动作 输弹机装填角度不同输弹过程中弹丸的运动状态也不同以输弹过程中功率变化表征输弹能量的需求和分布特征 输弹能量影响着弹丸的卡膛速度和输弹功率卡膛速度过大会导致卡膛深度过深药室容积增大弹丸初速降低卡膛速度过小则不能保证可靠卡膛弹丸可能从坡膛滑落输弹峰值功率过高会增加系统负荷对输弹动力系统产生影响 输弹运动状态对输弹能量和弹丸的卡膛情况有重要影响因此有必要对输弹运动过程进行研究在以往的输弹研究中陆明等通过理论分析和试验验证获得了保证卡膛精度和卡膛力的卡膛速度范围 赵良伟等分析了不同输弹初始速度及弹丸轴线与身管轴线高低不重合对弹丸卡膛稳定性的影响 张弘钧等分析了输弹参数不确定性带来输弹动力学响应变化及对火炮输弹一致性的影响 林通等归纳了输弹系统随机参数采用稳健优化设计提高了输弹一致性 现有文献对弹丸卡膛方面关注较多对输弹运动过程研究较少而输弹运动过程直接影响弹丸的卡膛一致性因此对输弹运动进行研究对提高输弹一致性有重要意义本文中基于非对称式 型曲线建立参数化的输弹运动模型分析了输弹运动参数对运动状态、输弹功率的影响在此基础上建立输弹运动优化模型以弹丸卡膛参数为约束以降低输弹峰值功率为目标利用组合优化策略获得了不同装填角度下与卡膛速度相匹配的输弹运动参数 优化结果验证了本文方法的有效性为输弹运动设计提供了参考 输弹运动分析与设计以某大口径火炮为例进行分析输弹过程中输弹机与炮身的相对位置关系如图 所示导轨与输弹机架体固定托弹槽与推弹板、推弹连接座、滑块固定连接(合称托弹组件)弹丸置于托弹组件中在推弹臂的推动下托弹组件承载弹丸沿导轨做直线运动将弹丸送入身管内完成输弹动作.输弹运动分析输弹运动等效模型如图 所示在强制输弹阶段 推弹臂推动托弹组件及弹丸沿导轨做加速运动强制输弹结束时弹丸完成输弹能量积累弹丸速度为 随后托弹组件减速弹丸与托弹组件开始分离 其中 为输弹功率、分别为弹丸和托弹组件质量、分别为分离点时间和弹丸速度、分别为 时刻弹丸和托弹组件速度和位移 为弹丸上升高度为强制阶段托弹组件及弹丸的摩擦损耗为输弹装填角度图 输弹结构示意图.图 输弹运动等效模型.强制输弹阶段输弹功率为()()()在惯性输弹阶段 推弹臂带动托弹组件做减速运动弹丸与托弹组件逐渐分离弹丸逐渐消耗输弹能量在惯性作用下挤入身管弹丸到达膛线位置速度衰减至 其中 为卡膛速度为 时刻托弹组件速度为惯性阶段托弹组件的摩擦损耗为惯性阶段弹丸的摩擦碰撞损耗惯性输弹阶段输弹功率为 ()惯性输弹阶段卡膛速度为 ()由式()式()可知卡膛速度 和输弹功率 与装填角度 运动特征参数、及损耗等有关 当装填角度 改变需调整相关运动参数以使卡膛速度 恒定同时运动参数和装填角度 改变使得输弹功率随之改变因此有必要对输弹运动进行规划以实现不同装填角度下弹丸的卡膛速度一致性和降低输弹峰值功率兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.基于非对称式 型曲线的输弹运动规划目前常用的速度控制方法主要有梯形曲线加减速和 型曲线加减速 梯形曲线在加减速阶段加速度保持恒定速度以线性规律变化速度变化时加速度有突变速度不能平滑过渡 型曲线能够控制加速度的变化率使加速度曲线连续速度曲线过渡平滑运动平稳 完整的 型曲线加减速过程分为 个阶段:加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速、减减速 考虑到输弹机的工作特性托弹组件从强制输弹阶段的加速运动转换到惯性输弹阶段的减速运动弹丸与托弹组件分离使得输弹负载减小应调整加速阶段运动参数使能量需求更加平稳减速阶段应以迅速制动为主 因此提出非对称式 型加减速曲线规划加速和减速阶段采用不同运动参数实现非对称设计并省略了 型曲线的匀速和匀减速设计阶段以适应输弹工作特性非对称式 型曲线加减速过程中的速度、加速度、跃度 变化如图 所示图 非对称式 型加减速曲线.非对称式 型曲线速度表达式为()()()()()()()()式()中:为各阶段结束时的速度、为加速和减速段的跃度为各段结束时刻的时间点()为各运动阶段所对应的时间长度为减少控制参数简化规划过程令 故可通过调整、来实现输弹运动的加减速控制.惯性装填动力学建模为研究输弹运动过程基于 建立惯性装填的动力学模型如图 所示并进行如下假设:)输弹过程中输弹机和身管固定不动)弹丸与托弹组件、炮尾、身管的碰撞为弹性碰撞等效为弹簧阻尼模型)不考虑输弹系统随机性参数的影响图 惯性装填动力学模型.弹丸与托弹组件、身管产生接触碰撞的接触力参照 接触定律计算有 ()式()中:为法向接触力 为接触刚度 为接触体的穿透深度 为接触力刚度指数 为接触碰撞阻尼系数输弹开始前通过静平衡设置使弹丸在托弹组件内保持平衡 建立弹丸在身管轴线方向的位移测量将达到预设的位移值作为仿真停止条件预设位移值稍小于卡膛位移使弹丸到达卡膛位移前停止仿真 装填角度下惯性输弹功率仿真结果与理论计算对比如图 所示从其中看出二者吻合较好图 功率曲线对比.郭 威等:面向惯性装填的输弹运动研究.输弹运动参数影响为了分析输弹过程的运动特性对影响输弹运动状态和输弹功率的参数进行归纳总结:)输弹运动参数:输弹运动时间 跃度()工作状态参数:输弹装填角度)物理参数:弹丸及输弹构件的质量、尺寸和摩擦系数等由于)中参数关系到输弹结构及材料作为给定设计参数不做调整 当工作状态确定时输弹装填角度 为确定值优化时作为给定参数不做调整但需考虑不同装填角度下的输弹能量需求变化因此装填角度确定时以输弹运动参数作为设计变量并表示为 ()()在加速阶段输弹负载较大相同运动参数下易出现最大功率对加速阶段的运动参数进行分析 图 表示相同条件下输弹最大速度一致时加速阶段峰值功率 和加速行程的变化 分析可得、减小增大可使加速阶段峰值功率减小加速行程增大对减速阶段做同理分析增大 可使减速行程减小实现迅速制动但同时使得减速阶段峰值功率增大考虑到加减速阶段功率不平衡性应适当增大并选取合适 以实现加减速段功率平衡和迅速制动图 加速阶段运动参数影响.输弹运动优化.优化算法及流程优化算法从技术上可分为全局优化和局部优化算法全局优化算法能在整个设计空间进行探索全局搜索能力强 但效率低、收敛慢计算成本高局部优化算法能在设计点周围快速探索快速高效、精度高但优化结果受初始点影响大易陷入局部最优 输弹运动优化模型非线性程度高、约束条件复杂为提高优化效率采用全局优化和局部优化组合策略全局优化采用多岛遗传算法()将种群划分为若干个子种群对子种群进行选择、交叉、变异等操作并利用迁移保证群体多样性种群不断迭代更新直到达到最大代数获得近似最优解 该算法能有效抑制早熟现象具备较好的全局求解能力 局部优化采用修正可行方向法()以近似最优解为初始点在局部快速搜索直至收敛该算法能以较高精度满足约束条件适合有约束优化问题能快速获得最优解输弹运动优化流程如图 所示图 优化流程框图.面向惯性装填的输弹运动优化模型以输弹运动参数 作为设计变量以降低输弹过程峰值功率为目标以弹丸到位速度、到位位置、托弹组件行程及末速为约束条件建立面向惯性装填的输弹运动优化模型表示为 .()式()中:为输弹运动峰值功率、为触发仿真停止条件时的弹丸在身管轴向方向的速度和位移、表示弹丸卡膛速度和位移目标值、为 型曲线末时刻托弹组件速度、行程和行程约束上界、为设计变量的下界兵 器 装 备 工 程 学 报:/./和上界约束参数如表 所示表 约束参数 参数数值卡膛速度/()卡膛位移/.输弹位移/.跃度、时间 取小值可使加速段峰值功率降低但另一方面会导致弹丸动能不足无法可靠卡膛故 可取大值以增加弹丸动能但 过大则使加速行程过大在总行程限制下应增大 但 过大会导致减速阶段功率峰值过大因此需选取合适运动参数值以实现加减速段功率平衡和满足弹丸的动能需求在不同装填角度下设计变量区间可适当缩小以加快寻优过程设计变量区间如表 所示表 设计变量区间 设计变量 区间/()/()算例与结果分析考虑到优化模型设计参数多非线性度高使用全局优化算法只需要获得近似优化解故进化代数取值可适当减少 以装填角度 优化过程为例使用多岛遗传算法时子种群规模数取 岛屿数取 进化代数取 交叉概率.变异概率.岛间迁移概率.迁移间隔代数取 使用修正可行方向法时最大迭代次数取 从迭代变化图 中可以看出仿真停止速度 和峰值功率 在全局优化初期波动较大随着设计参数迭代波动逐渐减小 全局优化阶段收敛过程缓慢在局部优化阶段收敛迅速优化前后结果对比如表 所示运动参数、减小、增大可使加速阶段峰值功率减小减速阶段迅速制动 对输弹功率进行积分可得到完成输弹运动所需的输弹能量 由表 可知在输弹能量 相近的情况下峰值功率降低了.优化前后输弹运动和功率变化如图 所示装填角度的改变会对弹丸卡膛产生影响为实现卡膛速度一致性运用优化模型对不同装填角度下的输弹运动进行求解得到优化结果如表 所示 优化后不同装填角度下弹丸在身管轴线方向的速度和位移变化如图 所示从图 中可以看出尽管装填角度不同但卡膛速度一致性得到了保证 输弹运动所需的输弹能量和峰值功率如图 所示射角为、时输弹能量分别为、峰值功率分别为.、.、.在不同装填角度下满足卡膛速度一致性所需要的输弹能量和峰值功率是不同的图 迭代变化曲线.表 优化前后参数对比 /()/()/()/优化前.优化后.郭 威等:面向惯性装填的输弹运动研究图 优化前后对比曲线.表 优化结果 角度/()/()/()/.图 弹丸速度和位移变化.图 输弹能量和峰值功率变化.结论根据惯性输弹工作原理基于非对称式 型曲线建立参数化的输弹运动模型结合不同装填角度下弹丸的卡膛速度一致性需求以弹丸到位位置和到位速度为约束建立面向惯性装填的输弹运动优化模型运用组合优化策略求解得到主要结论如下:)在输弹运动过程中输弹功率呈现双峰值特性变化根据输弹工作特性在加速和减速输弹阶段采用非对称运动参数可使输弹加减速段的功率平衡降低输弹峰值功率)在不同装填角度下输弹满足卡膛速度一致性所需的输弹峰值功率和能量是不同的必须改变输弹运动状态来调整输弹速度通过优化设计调整输弹运动参数可实现不同装填角度下弹丸的卡膛速度一致性为输弹运动设计提供参考参考文献:曲振森薄玉成王惠源等.臂式输弹机的结构设计和仿真分析.火炮发射与控制学报():.():.兵 器 装 备 工 程 学 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