火炮发射动力学概论第6讲

,3火炮发射载荷建模,炮膛合力（火药气体作用力）驻退机力复进机力平衡机力高低机力方向机力土壤对火炮的作用力,3.1炮膛合力,膛底压力,弹底压力,tg：弹丸飞离炮口时间；,tk：后效期结束时刻；,：装药质量；,q：弹丸质量；,S：炮膛断面积；,：次要功计算系数；,1：为仅计弹丸摩擦和旋转的次要功系数；,p：火药气体平均压力；,Pg：弹丸出炮口瞬间的炮膛合力；,：炮口制退器的冲量特征量；,：绝热指数；,：火药气体作用系数；,pg：弹丸出炮口瞬间的火药气体平均压力,火药气体音速；,火药气体密度；,总结：,炮膛合力是时间的函数，即,作用点：炮膛轴线与闩体镜面的交点,在后坐部分动坐标系中：,作用点：,炮膛合力：,计算步骤,利用插值函数FCN(pp,time,t,p)获得p,调入时间t,某榴弹炮全装药、常温、底凹弹平均膛压曲线,某榴弹炮全装药、常温、底凹弹炮膛合力曲线,3.2液气压式复进机力,Af：复进机活塞工作面积,pf0：复进机气体初压,l0：复进机容积相当长度,n：多方指数，=1.31.4,总结：,复进机力是后坐（复进）位移的函数，即,作用点及方向：后坐部分：复进杆中心线与炮尾安装面的交点，向前摇架部分：复进杆中心线与摇架安装面的交点，向后,3.3驻退机液压阻力,后坐时期,复进时期,真空消失点：,复进位移：,真空消失前,真空消失后,思考：为什么有负号？,：流液孔面积,：后坐时活塞工作面积,：复进时活塞工作面积,：节制杆面积,：复进节制腔面积,：节制环面积,：支路最小流通面积,后坐时液压阻力系数,复进时液压阻力系数,总结：,驻退机力是后坐（复进）位移、速度的函数，即,作用点及方向：后坐部分：驻退杆中心线与炮尾安装面的交点，后坐时向前，复进时向后。摇架部分：驻退杆中心线与摇架安装面的交点，后坐时向后，复进时向前。,思考：驻退机力为什么与后坐（复进）位移有关？,计算步骤,Yes,No,上页,3.4平衡机力,按弹性元件分类,弹簧式平衡机,液气式平衡机,按作用力方向分类,推式平衡机,拉式平衡机,液体气压式平衡机,气体,液体,拉式平衡机,推式平衡机,推式平衡机的受力分析,思考：AB两点间距离在什么射角时最长？若以最大射角时的气体体积为V0，如何计算任意射角时的气体体积V？如何计算平衡机力对起落部分的力矩？,液气压平衡机,平衡机力矩,三角形面积：,活塞行程,总结：,平衡机力是高低射角的函数，即,作用点及方向：摇架部分：作用在A点（上支点），沿BA方向。上架部分：作用在B点（下支点），沿AB方向。,3.5高低机力,耳轴中心,平衡机力,讨论：如何确定高低齿弧和主齿轮接触力（工程上叫U力）的方向,右图b：FU与水平线夹角为,左图a：FU与水平线夹角为,方法1直接在高低机齿轮与齿弧间定义接触/碰撞副，在后面的接触/碰撞建模中介绍。,方法2将FU向高低机齿轮和齿弧的公切线投影，则该力对耳轴中心的力矩为：,扭簧刚度,Trunnion,3.6方向机力,研究方法与高低机力相同,3.7土壤对火炮的作用力,射击方向,（1）土壤对驻锄射击方向的载荷,（2）土壤对驻锄垂直方向的载荷,（3）土壤对座钣垂直方向的载荷,一般用双线性弹簧和阻尼弹性元件来模拟,第四章基于ADAMS的火炮发射过程仿真,4.1ADAMS软件概述,ADAMS是世界上应用最广泛且最具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件。工程师、设计人员利用ADAMS软件能够建立和测试虚拟样机，在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能。（1）利用ADAMS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型，既可在ADAMS软件中直接建造，也可从其他CAD软件中转换过来（造型更加逼真）。,AutomaticDynamicsAnalysisforMechanicalSystem,（2）在几何模型上施加力/力矩和运动激励。（3）执行与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。过去需要数星期、数月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利用ADAMS软件仅需几个小时就可以完成，并能远在物理样机建造前，就可以知道各种设计方案的样机是如何工作的。,ADAMS/View的图形界面,建模仿真过程,4.2基于ADAMS软件的动力学建模技术,复杂机械系统的动力学模型主要包括：,（a）部件（Part）：刚性部件和柔性部件,（b）约束（驱动）,（c）力及力偶,（d）力元：包括弹簧、梁、衬套、场力等,（e）接触/碰撞,4.2.1物体建模,在ADAMS中有四种Parts.RigidBodies（刚体）可运动的零件具有质量与惯性矩不会变形FlexibleBodies（柔性体）可运动的零件具有质量与惯性矩承受作用力时会发生变形PointMasses可运动的零件具有质量但沒有惯性矩GroundPart在每一个model都必須存在永远保持固定不动在model建立时会自动建立不会对model增加DOF,几何建模获得,有限元模态分析获得,几何建模,几何建模,欲建立rigidbody.使用主功能表使用几何模型命令使用Parasolid核心具有拉伸、布尔运算能力由CAD软件建模，利用IGES、Parasoild、STEP及STL等格式輸入。,某火炮供弹支架的三维模型,使用外部CAD建构模型-Pro/Engineer,使用外部CAD建构模型-I-DEAS,单自由度转动铰,4.2.2运动（约束）建模,万向联轴节（2个转动）,固定铰,齿轮副,凸轮副（点接触）,耦合副,凸轮副（线接触）,4.2.3载荷建模,欲在ADAMS中建立作用力使用主功能表中的ForceModeling工具使用CreateForces菜单,（1）作用力建模,需定义力所作用的零件和作用点、力的大小和方向,Function法：力的数学模型比较简单，直接在ADAMS中定义。Subroutine法：力的数学模型比较复杂，甚至需要调用其它算法，可用程序设计语言Fortran或C编制，通过动态链接库调入。,Fortran源程序,目标文件(.OBJ),动态链接库(.DLL),Fortran编译工具,ADAMS用户程序工具,按指定的Subroutine,ADAMS施加单方向力的SubroutineSFOSUB标准格式,IDIdentifierofcallingSFORCEstatementTIMECurrenttimePARArrayofpassedstatementparametersNPARNumberofpassedparametersDFLAGDifferencingflagIFLAGInitializationpassflagVALUETheSFORCEvaluereturnedtoADAMS,力的标识符,时间变量,状态参数数组,状态参数个数,逻辑变量,返回值,C-Externalvariabledefinitions-IMPLICITREAL*8(A-H,O-Z)INTEGERIDDOUBLEPRECISIONTIMEDOUBLEPRECISIONPAR(*)INTEGERNPARLOGICALDFLAGLOGICALIFLAGDOUBLEPRECISIONVALUE,定义变量类型,用户编制程序段,VALUE=,自定义算法,END,力值赋给此变量,结束,SUBROUTINESFOSUB(ID,TIME,PAR,NPAR,DFLAG,&IFLAG,VALUE)IMPLICITREAL*8(A-H,O-Z)INTEGERIDDOUBLEPRECISIONTIMEDOUBLEPRECISIONPAR(*)INTEGERNPARLOGICALDFLAGLOGICALIFLAGDOUBLEPRECISIONVALUEIF(ID.138)THENCALLPPT_FORCE(PT_FORCE,TIME)VALUE=-PT_FORCEENDIFEND,炮膛合力子程序的实现,SUBROUTINEPPT_FORCE(PT,T)IMPLICITREAL*8(A-H,O-Z)COMMON/PTIME/X0(500),Y0(500),NOPEN(69,FILE=IB122_q_w.PT)READ(69,*)NDO139I=1,NREAD(69,*)X0(I),Y0(I)139CONTINUECLOSE(69)OMG=4.80CK=1.250S=1.1920E-2CLG=3.5240W0=6.470E-3,炮膛合力计算程序（1）,Q=21.76V0=690TG=X0(N)ETA=0.41G=9.813phi1=1.06phi=phi1+omg/q/3wv=w0+clg*sroug=omg/wvcg=sqrt(ck*y0(n)*g*10000/roug)beta=(ck+1)/ck*(2.0/(ck+1)*1.5*cg/v0b=(beta-0.5)*omg*v0/s/(y0(n)-1.8)*100000.0)tao=b*dlog(y0(n)/1.8)chai=(q+beta*omg)*sqrt(1-eta)-(q+0.5*omg)/omg/(beta-0.5)PG=Y0(N)*G*10000,炮膛合力计算程序（2）,tk=tg+taoIF(T.LT.1.0E-6)GOTO11IF(T.GT.1.0E-6)CALLLAQP(X0,Y0,N,T,P)GOTO1211P=Y0(1)12CONTINUEIF(T.LE.TG)THENPt=S*P*(1+0.5*OMG/Q)*G*10000.0/phiENDIFIF(T.GT.Tg.AND.T.LE.TK)THENPt=CHAI*S*pg*exp(tg-t)/b)/phi*(phi1+0.5*omg/q)ELSEPT=0.ENDIFEND,炮膛合力计算程序（3）,第一步：生成动态链接库,示例1：自由后坐,（1）将Fortran程序储存在文件D:pt.f中；,（2）利用Fortran编译工具生成D:pt.OBJ；,（3）利用ADAMS用户链接库工具生成D:pt.DLL,第二步：打开ADAMS/View,第三步：创建（导入）三维几何模型,第四步：赋予物体材料性质,第五步：定义后坐部分的运动,第六步：定义炮膛合力模型,（2）作用力工具,（3）作用力定义及属性修改,第七步：调入动态链接库,第八步：设置仿真策略,第九步：结果分析,（2）弹簧-阻尼建模命令,4.2.4构件间碰撞与接触的建模,两个构件相互接触/碰撞时，构件发生变形而产生接触力，接触力的大小与变形的大小和速度有关。,ADAMS采用Dubosky弹簧-阻尼接触铰理论计算法向接触力,g为某时刻两接触面间的渗透量,阻尼系数,切向摩擦力,h=step(x,x0,h0,x1,h1)的定义,4.3后坐部分动力学建模与仿真,（1）总体尺寸,复进杆中心线,驻退筒中心线,炮尾上作用点（513,180,0),炮尾上作用点（513,-205,0),后套箍,前套箍,（2）导入几何模型,身管,炮尾（含炮闩、参加后坐的反后坐装置）,前套箍,后套箍,炮口制退器,Parasolid格式：仅有几何模型，需赋材料属性,cmd格式：ADAMS命令文件，完整的模型,（3）约束定义,（4）力的定义,力的作用位置,后坐位移和速度的计算,在l坐标系中求导数,SYSFNC(VX,JPAR,4,VX,ERRFLG),INTEGERIPAR(3),JPAR(4)I_JU=PAR(1)IPAR(1)=PAR(2)IPAR(2)=PAR(3)IPAR(3)=PAR(3)JPAR(1)=PAR(2)JPAR(2)=PAR(3)JPAR(3)=PAR(3)JPAR(4)=PAR(3)CALLSYSFNC(DX,IPAR,3,DX,ERRFLG)CALLSYSFNC(VX,JPAR,4,VX,ERRFLG)S_RECOIL=DX/1000V_RECOIL=VX/1000,（5）程序实现,IF(I_JU.EQ.10)THENCALLPPT_FORCE(PT_FORCE,TIME)VALUE=-PT_FORCEENDIFIF(I_JU.EQ.20)THENCALLFJ_FOR