基于二级串联型ISD悬架轻型车载武器仿真

方　宇，秦俊奇，狄长春

(军械工程学院 火炮工程系，河北 石家庄　050003)

轻型车载武器发射时的车身及膛口振动是影响其射击密集度的重要因素。车载武器射击时之所以会产生车身及膛口振动，主要是由于两个方面原因：一是由于炮管/枪管及摇架在射击时会发生一定的弹性变形；二是由于车身通过悬架和轮胎与地面弹性连接，发射时的激励相当于作用在弹性系统上，使得车辆本身发生振动。由此可见，车载武器的悬架特性是导致车身及膛口振动的重要因素。

目前的轻型车载武器底盘系统大多采用传统弹簧-阻尼悬架。由于这种悬架一旦生产出来，其特性就已经固定，并且很难兼顾射击稳定性和行驶平顺性，其有限的性能一定程度上已限制了现代轻型车载武器的进一步发展。现有的可调节悬架虽然可以实现悬架性能的实时调节，但由于成本高、技术复杂等问题，其在轻型车载武器底盘上的推广应用受到很大的限制。

惯容器(Inerter)是剑桥大学学者Smith在2002年提出的一种与质量元件具有相似物理性质的两端点机械元件[1]。在国外，惯容器已经在包括车辆悬架、建筑物隔振以及高性能摩托车转向振动补偿等多个隔振领域得到了成功应用[2-3]。在国内，部分学者根据车辆悬架性能要求，进行了惯容器-弹簧-阻尼器(ISD)悬架结构形式的探索，并对多种布置形式的ISD悬架减振性能进行了分析比较[4-5]。

笔者针对惯容器的特点，根据惯容器元件的数学模型，提出一种基于ADAMS软件的等效惯容器模型建立方法。在此基础上，以某型车载迫击炮为例，建立了基于二级串联型ISD悬架的轻型车载武器虚拟样机模型。通过惯容器试验数据以及现有车载武器装备的试验数据对比，分别验证了等效惯容器建模方法以及车载武器虚拟样机的正确性。对基于二级串联型ISD悬架的车载武器的路面行驶工况和静止射击工况分别进行仿真分析，其结果表明，应用ISD悬架对于改善车载武器总体性能的效果显著。

1　理论基础

惯容器作为一种机械装置，其被定义为：具有两个相对自由端点，当一对力作用在两端点时，两端点的加速度与力成一定比例，该比值为常数，称为惯容系数，其动力学方程为

(1)

把惯容器应用到现有的弹簧-阻尼悬架当中，就组成了ISD悬架。关于ISD悬架的具体结构，现在已有一些比较成熟的方案。其中，一种以舒适性为导向的两级串联ISD悬架结构如图1(a)所示[6]。在实际应用环境中，由于惯容器的行程有限，如果与悬架刚度等参数不匹配则很容易达到惯容器行程的极限，导致惯容器失效。而在惯容器两端并联旁路弹簧可以避免这种情况，得到改进结构，如图1(b)所示。

图1(b)中的ISD悬架改进结构，由两级悬架组成，被称为二级串联型ISD悬架。根据机电相似原理，该二级串联型ISD悬架的导纳为：

(2)

式中：k1为ISD悬架第1级悬架刚度；k2为ISD悬架第2级悬架刚度；c1为ISD悬架第1级悬架阻尼系数；c2为ISD悬架第2级悬架阻尼系数[7]。

理论上，同电容元件一样，惯容器元件拥有通高频、阻低频的特点。二级串联型ISD悬架则在传统悬架的基础上，主要改善了系统的低频振动特性。

2　车载武器虚拟样机模型

针对轻型车载武器射击时车身及炮口振动较大的问题，研究应用ISD悬架对于改善车载武器总体性能的效果。研究思路：首先利用ADAMS软件，建立符合实际的惯容器模型；以某型车载迫击炮为例，建立基于ISD悬架的车载武器虚拟样机模型；通过仿真比较，分析应用ISD悬架对于改善车载武器总体性能的效果。

2.1　等效惯容器的建立

由于在目前的各种建模仿真软件中，还没有惯容器元件，所以在该虚拟样机模型中，需要依据原理构造出符合实际的惯容器元件。根据式(1)中惯容器的力学特性，利用ADAMS软件中的函数功能，施加相应的惯容器等效力。

首先在第2级悬架的两端点处施加单向作用力，将其命名为Inerter_1。该惯容器等效作用力方向沿两端点连线方向，其大小的表达式为：

-1*ACCY(MARKER_930,MARKER_931,YuanDian,YuanDian)*b1

式中：ACCY函数返回两点之间沿y轴方向的加速度差，负号表示力的方向与加速度方向相反；MARKER_930和MARKER_931分别是第2级悬架的两个端点；YuanDian表示参考坐标系，参考坐标系的y轴方向即为垂直方向；b1为设计变量，这里表示第1个惯容器的惯容系数。

2.2　二级串联型ISD悬架虚拟样机模型

由于最初设计的二级串联型悬架结构占用空间较大，车载武器使用该悬架时可以利用等臂杠杆原理，将二级悬架折叠以降低悬架高度[8]，悬架1/4车辆模型如图2所示。

该悬架1/4车辆模型在拉普拉斯变换下的动力学方程为

(3)

式中：m1为簧下质量；m2为簧上质量；Y(s)为悬架导纳；K1为轮胎刚度；Z0，Z1，Z2分别为z0，z1，z2的拉氏变换形式,z0为路面输入,z1为簧下质量位移,z2为簧上质量位移。

以某型车载迫击炮为例，其底盘为东风猛士EQ2050A型底盘，轮胎规格为37×12.5 R16.5。

基于ADAMS软件，首先根据双横臂独立悬架的结构，建立相应的虚拟样机模型；然后根据等臂杠杆式的悬架布置方案，将原悬架中的弹簧上端与杠杆一段连接，杠杆的另一端通过惯容器组件(包括限位弹簧)与车体连接[9]。

最终建立的二级串联型悬架的虚拟样机模型如图3所示，图中的双向箭头表示惯容器等效力。

2.3　整车虚拟样机模型

在上述悬架基础上，以某型车载迫击炮为例，添加轮胎-路面与上装部分，建立虚拟样机模型。为得到更加准确的动态响应结果，将身管模型简化为柔体。

该车载迫击炮自动机采用的是浮动式自由炮闩前冲击发技术，炮身与炮箱刚性连接,炮闩在炮箱中作后坐和复进运动,并带动自动机其他构件工作。在ADAMS软件中，利用内置函数以及传感器等功能，实现炮闩浮动式自动机构连发时炮膛合力的施加。

对于刚度较大且变形较小的部件作为刚性体对待；对于运动和受力没有影响的部件进行等效质量和转动惯量处理。最终得到的车载迫击炮虚拟样机模型如图4所示，模型共有51个自由度，包含45个刚性部件、1个柔性部件、4个轮胎、26 个旋转副、22个固定副和1个平移副。

3　模型验证

3.1　等效惯容器模型验证

在建立等效惯容器方法的基础上，对相应参数的惯容器进行仿真特性与实测特性的对比。取惯容系数b=130 kg；输入正弦波激励，激振频率为7 Hz，振幅为3 mm。以滚珠丝杠式惯容器为例进行力学性能试验，测量惯容器的输出力大小，试验装置如图5所示。试验台为INSTRON公司制造的数控激振试验台。

按照第2节中提出的方法，代入相关参数，在ADAMS软件中建立等效惯容器，如图6所示，其表达式为：

-1*ACCX(PART_3.cm, PART_2.cm, PART_2.cm, PART_2.cm)*130

仿真与试验结果对比如图7所示，从中可以看出，仿真与试验结果吻合良好，说明所建等效惯容器仿真模型具有较高的精度，在此基础上进行ISD悬架建模分析是行之有效的。

3.2　车载武器模型验证

将该车载迫击炮模型置于平直路面上，各轮均处于制动状态，身管处于初始位置，即高低角 12°、方位角 0°。对模型进行静平衡分析，从静平衡处开始仿真，在不激活第2级惯容器悬架的情况下，模拟基于传统悬架的车载武器射击过程。提取车载炮射击时炮闩的复进行程(含前冲量)xf、最大后坐速度vmaxh、最大复进速度vmaxf，连发射速n，炮口高低线位移Δy、前后线位移Δz，分别与对应的试验数据进行对比，如表 1 所示。

表1　射击主要参数的计算值与试验数据对比

连发射击时炮口高低位移仿真曲线和实测曲线的对比如图8所示。图中，实测曲线的最大值为106.2 mm，最小值为-68.6 mm，高低线位移Δy为172.8 mm;仿真曲线的最大值为99.6 mm，最小值为-64.8 mm，高低线位移Δy为164.4 mm。从结果可以看出，建立的模型计算数据与实际试验数据基本吻合，其误差均在工程允许的范围以内，表明所建车载迫击炮发射动力学模型具有一定的准确性与合理性。

4　仿真计算与结果分析

4.1　车载武器行驶仿真

在上述虚拟样机模型基础上，导入路面谱模型，分别对采用传统悬架和采用ISD悬架的车载武器行驶时动力学特性进行仿真分析，并以车身垂直方向加速度为振动衡量指标对结果进行分析。

首先进行正弦路面仿真，正弦路面的波长为2 500 mm，幅度50 mm，车速3.5 m/s，仿真结果如图9所示。

针对车载武器复杂地形行驶工况，导入E、F级路面进行随机路面谱仿真分析，车速3 m/s,结果如图10～11所示，图中aRMS值表示车身垂直加速度的均方根值，在振动领域，一般规定振动加速度的均方根值为表征振动烈度的参数。

对比结果可以看出，采用了ISD悬架之后，对于E级路面，车身垂直加速度的均方根值由554下降到488，下降幅度为13.5%；对于F级路面，车身垂直加速度的均方根值由1 080下降到990，下降幅度为9.1%。

总体来看，在各种路面谱激励下，基于ISD悬架的车载武器行驶平顺性均要好于基于传统悬架的车载武器。

4.2　车载武器射击仿真

与第3.2节射击工况相同，将该车载迫击炮模型置于平直路面上，从静平衡处开始仿真，模拟4连发射击过程，对比两种悬架条件下的振动响应。图12、13分别表示车身振动垂直加速度和炮口振动垂直位移，击发时间分别为0.359、0.761、1.168、1.576 s。

从第1发击发时刻开始，车身及炮口在垂直方向上出现较大振动；4连发射击期间由于射击载荷的周期性，车身加速度也呈现一定的周期性；而炮口振动的周期性则主要体现在有高低机和弹性身管组合刚度决定的固有频率上。

从传统悬架和ISD悬架的对比结果可以看出，对于射击时的车身振动，ISD悬架可以达到较好的减震效果，车身垂直加速度的均方根值由402下降到214，下降幅度为46.7%；而对于炮口振动，ISD悬架减震效果稍小，炮口垂直位移幅值由164.4 mm下降到109.7 mm，下降幅度为33.2%。

5　结论

笔者提出了基于ADAMS软件的等效惯容器模型建立方法，在此基础上，建立了基于二级串联型ISD悬架的轻型车载武器虚拟样机模型。通过与实际试验数据对比，验证了该建模方法的可行性和正确性。

二级串联型ISD悬架应用在轻型车载武器上，可以提高轻型车载武器的行驶平顺性：在E级路面上车身垂直加速度均方根值减小了13.5%；在F级路面上车身垂直加速度均方根值减小了9.1%。ISD悬架应用在轻型车载武器上，也可以一定程度上减小射击时的车身和炮口振动，其中射击时车身垂直加速度均方根值减小了46.7%；炮口处垂直位移幅值减小了33.2%。

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