基于能量耦合理论的转管炮发射动力学仿真

吴宝双,陈永奎,魏立新,陈延伟,樊永锋

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)



基于能量耦合理论的转管炮发射动力学仿真

吴宝双,陈永奎,魏立新,陈延伟,樊永锋

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

以某转管炮为研究对象，基于多能量范畴耦合理论，依据内源式FORC差动补偿原理，构建内源式FORC装置；建立了内外能源耦合控制系统的逻辑关系图，对转管炮进行了发射动力学仿真。在内能源与耦合能源两种射击状态下，得到全炮的后坐速度及后坐阻力数据。对比并分析仿真结果，得出在耦合能源作用下，转管炮的射速更趋于稳定。此仿真结果对转管武器的内外能源耦合研究具有一定的参考价值。

兵器科学与技术；键合图；转管炮；耦合理论；发射动力学

速射火炮是一个包含机、电、液、气与控制等多能量范畴的复杂系统，为模拟速射火炮发射动力学特性，为此选用了键合图理论和键合空间理论进行动力学仿真。键合图理论是上世纪50年代由麻省理工大学的Paryter教授提出，它的基本思想是：把不同能量范畴的物理量统一归纳为4种状态变量，即势、流、位变和动量，同时采用表征基本物理性能和描述系统中功率流向与转换基本联接方式的11种元件，按照规定的步骤制定系统的键合图模型和状态方程。

1 发射动力学建模及状态方程

发射动力学试验样机方案主要包括身管组件、炮箱组件、导气装置及传动组件、星形体及闩体组件、缓冲器等组成。笔者在分析其动作原理的基础上，应用键合空间理论建立了发射动力学全炮键合空间模型[1]，如图1所示。

图1中的符号含义与键合图理论中关于符号的定义一致，即：I代表惯性元件；C代表容性元件；R代表阻性元件；E代表势源；TFH代表转换器和摩阻元件集成的两通口元件；1表示共流结；0表示共势结；并且为了更方便地将电机表示出来，这里采用有源阻性元件S来表示启动电机特性元件，启动特性函数用S表示。在键合空间模型中，下标A代表全炮缓冲运动的键合空间；下标B代表基础构件相对于全炮缓冲的运动的键合空间，在发射动力学中，即为导气室活塞相对于炮箱的运动，指向该结点的E元件中包含了火药气体对导气室活塞的压力；下标0表示基础构件即导气室活塞的运动的键合空间；下标U表示从动构件相对于全炮缓冲运动由基础构件运动确定，即运动刚性传递关系元件的键合空间；下标V表示从动构件相对于全炮缓冲运动与基础构件间通过柔性元件(即弹性元件)联接，即运动弹性传递元件的键合空间。

通常自动机从动构件和基础构件间的运动传递关系以运动刚性传递为主，而运动弹性传递多用于运动传递过程的贮能、过载保护等场合，在构件刚度不够，弹性变形较大时，也应按运动弹性传递考虑。将自动机从动构件与基础构件运动传递关系分为运动刚性传递和运动弹性传递，能够更好地表述自动机动力学模型。

2 内源式FORC差动补偿原理

2.1 理想控制模型

内源式FORC装置理想控制键合图模型如图2所示。

键标号的含义为:0代表转管炮后坐部分；2代表转管炮后坐阻力；3代表炮膛合力；5代表差控制阀受的弹簧初力；6代表差控阀簧的柔度；7代表贮能器气室柔度函数；8代表贮能器初压；9代表差控阀及复进节流阀流液阻尼。图中的零功率键代表一个差控阀对贮液腔和e4压差所形成的一个负反馈，它是以R9差控阀位移q6的函数来体现，因此差控阀对压差有一定的自适应调节的功能。由内源FORC装置理想控制键合图模型可得到其状态方程[2]

(1)

得到后坐阻力的表达式为

(2)

贮能器气体的变化仍然设定为绝热变化，则

(3)

对于液压阻尼函数可近似表示为

(4)

式中,ξ、α、β分别为常系数。

则

(5)

2.2 差动补偿原理

设后坐时期后坐阻力近似为恒值[3]，其值大小为后坐终了时的值，即

(6)

这样可以将式(5)转化为

(7)

令

(8)

通常对于内源式FORC装置来讲，一般δ7=20%以内[2]，这时压力的变化也近似为一条斜线，因此把贮能器的柔度函数线性化，有

(9)

所以由式(7)可得差控补偿方程

(10)

且后坐到位时间为

(11)

3 内源式FORC装置

内源式FORC结构较简单，体积和质量较小，不需要外部能源，适应性好，容易实用化。但是若没有其他的辅助设备，用内源式FORC难以实现全浮动。高速自动炮FORC缓冲装置采用的是内源式FORC原理，内源式FORC装置是一套阀控系统。它主要由贮能器、液压筒、复进节流阀、壳体、主活塞、气液活塞、差控阀等部分组成。这种缓冲装置适用于小口径自动炮，具有很好的通用性，可根据自动炮后坐部分的冲量的大小，选择缓冲器的个数。内源式FORC结构装配图如图3所示。

4 内外能源耦合转管炮射控系统分析

内外能源耦合转管炮系统，由电动机、传动机构、转管自动机、供输弹机构、控制设备和电源组成。

根据内外能源耦合转管自动机的特点，结合陆基防空反导的要求，确定系统的控制时序[4]，如图4所示。

5 动力学仿真

5.1 仿真参数设置

进行转管炮耦合能源发射动力学仿真需要大量参数数据，包括内能源式导气数据、外能源式电机数据及转管炮相关机构尺寸数据[5-6]，部分数据如表1所示。

表1 仿真参数数据

5.2 仿真结果数据

5.2.1 内能源射击

内能源射击时，以冷气启动方式启射，启射射速为4 200发/min，仿真结果如图5～7所示。

由图5～7可以看出，内能源射击时，射速为4 698 发/min,最大后坐速度为0.37 m/s；后坐阻力最大值为31 kN，100连发所用总时间为1 277 ms。

5.2.2 耦合能源射击

耦合能源射击时，电机拖动启动，启射射速为5 300 r/min，电机最大启动力矩为81 N·m，电机折点转速为3 600 r/min，电机截止转速为7 200 r/min，仿真结果如图8～10所示。

由图8～10可以看出，耦合能源射击时，射速为5 363发/min，最大后坐速度为0.42 m/s；后坐阻力最大值为31.35 kN，100连发所用总时间为1 118.75 ms。内能源射击与耦合能源射击结果数据对比如表2所示。

表2 内能源与耦合能源射击对比

6 结论

笔者基于多能量范畴耦合理论，对小口径转管炮进行了发射动力学仿真，综合对比内能源与耦合能源两种射击状态下，星行体的转速、全炮最大后坐速度及最大后坐阻力的变化规律。得出以下结论：在有电机情况下的耦合能源射击时，可提高转管炮的射速，同时后坐最大速度也会增大，但最大后坐阻力值增幅相对较小，此仿真结果对转管武器的内外能源耦合研究具有一定的参考价值。

References)

[1]李魁武，黄克，程广伟，等. 外能源转管自动机机电耦合动力学键合图建模及应用[J]. 火炮发射与控制学报，2013(3)：16-20. LI Kuiwu,HUANG Ke,CHENG Guangwei,et al.The modeling and application of bond graph for external energy Galting machine electro-mechanical coupling dynamics[J].Journal of Gun Launch & Control, 2013(3):16-20.(in Chinese)

[2]戴劲松，王文中.内源式FORC差动补偿原理[J].火炮发射与控制学报,1998(2)：1-3. DAI Jinsong,WANG Wenzhong.Endogenous formula FORC differential compensation principle [J]. Journal of Gun Launch & Control，1998(2):1-3. (in Chinese)

[3]王中双，陆念力.复杂柔性多体系统耦合动力学的键合图法[J].华南理工大学学报：自然科学版，2006，34(11)：33-38． WANG Zhongshuang,LU Nianli.Bond graph method to investigate coupling dynamics of complex flexible multi-body system[J].Journal of South China University of Technology: Natural Science Edition, 2006, 34(11): 33-38. (in Chinese)

[4]王健，戴劲松. 转管自动机系统动态研究[J].弹道学报，2004，16(2)：66-69. WANG Jian,DAI Jinsong.A study on rotation-barrel auto-machine system dynamics[J].Journal of Ballistics,2004，16(2):66-69. (in Chinese)

[5]薄玉成，王惠源，李强，等.自动机结构设计[M].北京：兵器工业出版社，2009：25-29. BO Yucheng,WANG Huiyuan,LI Qiang,et al. Automatic machine structure design[M]. Beijing:The Publishing House of Ordnance Industry, 2009: 25-29.(in Chinese)

[6]张相炎. 火炮概论[M].北京：国防工业出版社，2013:56-63. ZHANG Xiangyan. Artillery survey[M]. Beijing: Natio-nal Defense Industry Press,2013:56-63. (in Chinese)

Based on the Theory of Energy Coupling Gatling Gun Launching Dynamics Simulation

WU Baoshuang, CHEN Yongkui, WEI Lixin, CHEN Yanwei, FAN Yongfeng

(The 713th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015,Henan, China)

With the Gatling gun taken for study, based on the multi-energy category coupling theory, endogenous type apparatus FORC was constructed according to the principle of endogenous type apparatus FORC differential compensation with inner and outer energy control system logical diagram established, and with Gatling gun simulated for emission dynamics. Under the two shooting states of inner energy and coupling energy, the whole gun’s recoil velocity and recoil force data was obtained. Through a comparison and analysis of the simulation results, it is concluded that under the effect of coupling energy, Gatling gun firing rate tends to be more stable. The simulation results have certain reference value for the coupling on the inner and outer energy gatling weapons.

ordnance science and technology; bond graph; Gatling gun; coupling theory; launch dynamics

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.002

2016-03-16

国防基础科研(A0820132003)

吴宝双(1987—)，男，硕士，主要从事小口径舰炮结构设计与仿真分析技术研究。E-mail：wbshuang_713@163.com

TJ306

A

1673-6524(2016)04-0005-05