火炮发射动力学概论第1讲-2010

第一章绪论,火炮发射动力学研究的目的和意义火炮发射动力学的发展阶段及其特点火炮发射动力学模型与计算机程序火炮发射动力学与虚拟样机技术,1.1火炮发射动力学研究的目的和意义,1.1.1火炮射击精度1.1.2火炮发射时的稳定性和安全性1.1.3火炮总体参量优化与匹配,1.1.1火炮射击精度,射击精度=射击准确度+射击密集度,射击准确度：平均弹着点与目标预期命中点间的偏差。,射击密集度：弹着点对平均弹着点的集中程度。,影响环节：定位定向系统、目标探测系统、火控系统、瞄准系统等。,对（加）榴弹炮、迫击炮等地面火炮，射击密集度一般用地面密集度（最大射程纵向和横向密集度）和立靶密集度表示。,坦克炮、反坦克炮、高炮一般用立靶密集度表示,最大射程纵向密集度一般用距离中间偏差描述：,最大射程横向密集度一般用横向中间偏差描述：,：第i发弹着点坐标，,：平均值,近似的简易统计方法,在实际使用时，纵向密集度表示为：,其中.表示取整运算，现代榴弹炮的纵向密集度一般小于1/280,例如PzH2000为1/330，M106A6为1/210,在实际使用时，横向密集度一般用多少mil表示：,现代榴弹炮的横向密集度一般小于1mil,华约标准,实例说明,影响火炮射击精度的主要因素：瞄准误差气象观测误差测地误差装填条件：弹和药操作误差高低机和方向机的空回炮口扰动随着科学技术的发展和新技术的大量应用，火控系统、观察测量系统大大提高了目标瞄准、目标探测、气象观测、目标测距的精度，新工艺、新设备、计算机也大大减小了弹炮产品的固有误差，手工操作的人为误差也相应减少，高低机和方向机的空回也得到有效的控制，在这种情况下，如何揭示炮口扰动的物理规律及其影响因素，成为火炮动力学的重要研究内容。,减轻火炮重量，提高火炮机动性，保证火炮发射时的安全性和可靠性是火炮发射动力学研究的另一重要目的。通过求解火炮动力学方程组获得火炮主要零部件的受力，如后坐阻力，摇架耳轴受力，履带张力等动力谱，为火炮零部件的结构分析和强度设计提供了可靠的动力谱，为减轻火炮重量和提高火炮机动性、保证火炮的安全性和可靠性提供了理论依据。,1.1.2火炮发射时的稳定性和安全性,M777(3175kg),以火炮发射动力学模型为伴随条件，利用现代优化理论，建立多目标多变量的优化模型，寻求火炮总体结构参数和物理参数的合理匹配和优化，为火炮武器系统的总体方案和总体设计提供决策依据，可以避免设计的盲目性和设计失误，这对火炮设计具有重要的指导意义，也是火炮工作者长期以来一直关心的热点问题之一。,1.1.3火炮总体参量优化与匹配,1.2火炮动力学的发展阶段及其特点,刚性系统、静态力学以提高火炮首发命中概率为主要目标比较完整的火炮和弹丸运动方程系统、全面地研究火炮系统的振动问题火炮虚拟样机技术,（1）研究方法：刚性系统和静力学在最初的火炮设计中，无论是载荷计算和强度计算，还是火炮发射动力学特性分析，都假设火炮为刚性系统，即以刚体静力学作为火炮设计的理论基础。当然，也局部考虑了火炮系统运动的惯性力和有关的振动问题。这种分析计算结果与实际情况相差较大，所设计的火炮往往重量较大，射击精度较差，难以满足战术技术要求。（2）处理的问题主要研究火炮跳角形成原因和影响因素、跳角的试验测定方法和理论计算方法、跳角与射弹散布的关系，从而为射表编制和散布分析提供必要的理论基础。以火炮实弹射击试验为主，研究对象以坦克炮和反坦克炮等平射火炮系统。在理论计算上一般从单因素分析出发，进行火炮振动与跳角关系的研究。,（1）研究目标：以提高火炮首发命中概率为主要目标。主要考虑弹炮间隙、膛压、弹重、弹炮摩擦、弹丸质量偏心、弹带力矩等因素。建立的力学模型将火炮和弹丸分开考虑的，即把弹丸当作质点处理或者假设弹丸运动条件已知来研究火炮运动，或者假定火炮运动已知来研究弹丸运动，没有考虑弹丸和火炮的相互耦合相互影响。（2）处理的问题在试验设备与计算技术方面，主要是考虑火炮振动的测试、计算技术和方法。火炮科技人员用大量的事实证明，在火炮设计时仅仅进行静态分析和计算，或者单纯地考虑某一部件的振动是远远不够的。,（1）研究水平建立了比较完整的火炮和弹丸运动方程，编制了比较完善、比较实用的计算机程序。研制了一批测量火炮运动和弹丸膛内运动的试验设备。用先进技术和设备测得的试验结果与理论分析结果进行比较，进一步改善理论模型，使之更符合实际。（2）处理的问题所考虑的因素大幅增多，如弹丸的动不平衡、轴向及横向惯性力、炮口静下垂与炮身局部弯曲、弹丸的碰撞与弹回效应、火炮各种类型的振动、不平衡后坐质量、布尔登效应等。,（1）研究特点弹炮被当作一个整体来考虑，全面地研究火炮系统的振动问题，系统思想和整体观念较强。主要考虑弹炮相互耦合，弹丸在振动身管中受到的各种耦合惯性力和力矩，如科氏惯性力与陀螺力矩。弹丸作为运动质量和移动集中力予以处理。建立的火炮动力学模型和数学模型已经相当完整。将弹炮联系起来，建立共同的运动方程组。用更先进的计算机技术进行运算，用更先进的测试技术和试验设备进行试验和测试。（2）处理的问题研究的重点是起始扰动与弹炮系统参数的关系、弹丸膛内运动规律、优化计算方法、弹炮最优化结构参数的选择等。,火炮虚拟样机技术进入21世纪以来，火炮动力学得到迅猛发展，一些成熟的大型商业软件（如DADS、ADAMS、Simpack、I-DEAS、Pro/E、Pastran/Nastran）的普遍应用，为火炮动力学的更接近工程实际的应用注入了无限生机，火炮研究人员开始建立越来越与工程实际接近的虚拟样机模型，模拟火炮武器系统的各种性能和功能，减少了设计失误，降低了研制风险，有效地降低了各种物理试验，较大地提高了设计效率，节省了研制经费。,1.3火炮动力学模型与计算机程序,火炮动力学建模的几种假设火炮动力学建模需要考虑的因素火炮动力学建模的常用方法几个典型的计算机程序,（1）简化目的火炮动力学建模是开展火炮动力学研究的关键，因此各国学者都十分重视。而火炮系统是一个十分复杂的机电液一体化系统，如何通过简化使建立的模型更符合实际，让各国学者都花了很大的精力和苦心。（2）几种常用的假设一是假设火炮刚体位移为零。第二种考虑刚体位移和弹性变形，其运动微分方程是线性的，其系数是不随时间变化的。第三种是假设支撑条件有变化，有较大的刚体位移，其运动微分方程是非线性的，系数是随时间变化的。,为了保证建立的火炮动力学模型能真实地反映火炮的发射过程，要全面地、系统地、精确地进行火炮动态性能分析和计算，在建模时必须考虑以下因素：火炮和弹丸的结构参数，如质量、转矩、转动惯量、重心位置、耳轴位置、不平衡性、刚度、弹性系数等；火炮系统技术参数，如射速、高低射界、方向射界、系统尺寸、重量、战略机动性、火力机动性、瞄准要求等；扰动参数，如身管直线度、弹丸不圆度、重力、质心、偏心度、不平行度、各种不同作用力和摩擦力、风力、风向、环境温度、气压、气体密度等；火炮武器发射时的主要物理现象，如瞬态作用力、接触/碰撞、弹性变形、大位移运动与小位移振动等。,（1）研究方法火炮动力学建模常采用有限元(FE)和多体系统动力学(Multi-bodySystemDynamics)两种方法。（2）有限元方法有限元模型的实质有限元模型是把火炮看成由有限个梁单元、杆单元、板单元、壳单元构成。这些单元构成的模型用以代替实际结构，研究这些单元组合体的力学特性也就相当于研究了实际火炮的力学特性。有限元模型的种类有限元法包括线性和非线性两种方法。,线性有限元的特点线性有限元又分为几种不同的方法，而模态综合法应用得最为广泛，利用这种方法可把整个火炮系统分成若干子结构，对每个子结构建模，导出各个子结构的固有振动动态特性，确定各子结构之间的结合条件，进而合成整个火炮系统模型，运用模态叠加法可求得对外载荷的响应，通过动态测试来检查模型是否与实际相符，其过程如下图所示。,火炮有限元动力学方程的一般形式(忽略阻尼）：,上述方程组的第i方程为：,特点：各广义坐标及其对时间的二次导数之间是相互耦合的，给方程的求解造成了困难，能不能有一种方法使方程（1）解耦，即在第i个方程中只有第i个广义坐标及其对时间的二次导数，如下式：,引入模态矩阵（ModalMatrix）可以实现上述目的。,根据常微分方程理论，其解为简谐形式，即,于是，,频率方程：,把称为系统的第i阶固有频率（NaturalFrequency）。,注意：只有系统的自由度数较少时，可用因式分解的方法求解一元高阶方程，获得系统的固有频率，一般对于自由度数很多的系统，只能采用数值计算的方法获得固有频率。,上式展开后为关于的n次高阶方程，由于M为正定矩阵，K为正定或半正定矩阵，因此具有n个非负根，依次为：,共振（Resonance）的概念,把代入（4）得：,或：,上述齐次线性方程组具有无数组解，但是n个振幅之间的比例是确定的，为了确定这些比例，我们可以令则上述方程组变为：,求解上述（n-1）元方程组可得,因此：,Question:Howtosolvelinearequations?,把n个振型（特征向量）依次排成一行，构成模态矩阵，即,为了求解振动方程（1），令,显然还有：,（6）和（7）代入（1）得：,左乘,线性有限元模型是建立在小变形假设基础上的，即认为火炮发射过程中，部件的位移和变形足够小，不足以给系统的刚度矩阵、质量矩阵带来大的变化，发射过程中任意时刻的模态矩阵均可以由发射前的模态矩阵代替。,求取机械结构的固有振动频率和振型的过程一般叫模态分析。,模态分析的目的：（1）动力学方程解耦，大大简化动力学求解过程。（2）避免共振？（3）为多体系统动力学分析提供模态数据。,非线性有限元的特点火炮武器的发射过程是一种瞬时、高能、强冲击的复杂过程，零部件的弹性变形和刚性运动耦合在一起，整个过程呈现强烈的非线性。采用小位移假设的线性理论描述复杂的非线性过程显得无能为力，因此，在采用有限元方法建立火炮武器的结构动力学模型时，需要采用非线性的方法，不仅考虑火炮武器发射过程中零部件的弹性变形，而且应该考虑构件刚性运动带来的几何非线性以及土壤介质的非线性。非线性主要包括弹炮耦合、非线性后坐、履带板大位移转动、悬挂非线性振动、履带板与地面的接触非线性和土壤非线性等。,（3）多体系统动力学多体系统动力学模型与有限元模型不同，它是根据火炮实际情况，通过一定假设把火炮看成由若干个刚体或柔性体通过一定的约束联接而成的多体系统，根据力学原理建立运动方程，研究火炮动态特性。多体系统动力学模型以一定的假设为前提条件，所得结果有一定的近似性，但是与有限元模型相比，计算工作量较小，而且可以很方便地考虑许多非线性问题，计算结果能反映各种结构参数对火炮动态特性的影响和规律，比较适合于火炮武器射击稳定性分析、炮口扰动分析以及以火炮多体系统动力学方程为伴随方程的武器系统总体优化与匹配，另外多体动力学模型还可以求解有限元分析所需的载荷以及边界条件等。,炮口响应,驻锄响应,可用于火炮动力学分析的常用软件目前，可用于火炮动力学建模的商业软件有很多，如ADAMS、DADS、Simpack、NASTRAN、ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA、LS-OPT、LS-POST、DYTRAN等，这些软件既可以运行在以Windows为操作系统的微型计算机上，又可在以UNIX为操作系统的小型计算机（或超级图形工作站）上运行。在美陆军第1至第10次火炮动力学会议论文集中，经常有学者应用这些通用软件进行火炮动力学研究的文章，其中NASTRAN、DADS以及ADAMS软件最为典型。,1.4火炮发射动力学与虚拟样机技术,进入21世纪以来，虚拟样机技术在火炮武器的研制过程中得到了初步应用，该技术是火炮动力学仿真技术的高级阶段，也是实现火炮武器数字化设计的重要理论支撑。虚拟产品开发与虚拟样机技术的来源虚拟产品开发和虚拟样机技术产生的技术背景虚拟产品开发的定义虚拟样机技术,波音777飞机研制模式全数字化的无图纸设计技术，100采用三维数字化定义，100应用数字化预装配，首次实现了整机数字化设计、数字化制造和数字化协调。成本降低了25，出错返工率减少了75，制造周期缩短了50。波音777的研制成为现代产品开发新技术应用的里程碑，其采用的开发过程现在称之为虚拟产品开发（VirtualProductDevelopment，VPD），应用的开发技术称之为虚拟样机技术（VirtualPrototyping，VP）。,是市场激烈竞争的拉动和技术迅速发展的推动共同作用的结果；解决T（最快的上市时间）、Q（最好的研制质量）、C（最低的研制成本）以及S（良好的服务）和E（尽量少的环境污染）难题的需要；世界已经进入全球化的知识经济时代，现代信息技术特别是计算机技术得到了飞速发展与广泛应用。,早在1993年，世界著名的CAD/CAM服务供应商EDSUG的总裁JohnMazzola就对VPD作了这样的描述：“虚拟产品开发是一种设想，在这个设想中，以网络方式组织在一起的人们将协同工作，以完成对产品的设计、分析、制造及技术支持。他们的工作将以数字化的方式确定和分配，从而使得他们能够在任何时间、任何地点协同或独立地工作。这种开发网络除了生产公司外，还将包括供应商、合作伙伴及客户。”,基于虚拟样机的产品开发模式,协同虚拟样机的产品开发模式,数字化方式,虚拟产品开发是产品设计制造的真实过程在虚拟环境中的映像。虚拟产品开发数字化的特征：产品存在的数字化开发管理的数字化信息交流的数字化,产品全生命周期,虚拟产品开发不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而且对产品的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。支撑技术：CAD（ComputerAidedDesign）CAE（ComputerAidedEngineering）CAM（ComputerAidedManufacture）PDM（ProductDataManagement）VP（VrtualPrototype）PLM（ProductLife-CycleManagement）,网络协同,产品本身及其开发过程的复杂性，使得单一公司或部门难以胜任全部的工作，往往是由相关的部门和公司共同组成一个开发网络，协同开发。示例：波音777、复杂武器系统重要特征：基于网络的协同开发(CollaborativeDevelopment)并行工程(ConcurrentEngineering),虚拟样机技术是近些年在产品开发的CAX如CAD、CAE、CAM等技术和DFX如DFA（DesignForAssembly，面向装配的设计）、DFM（DesignForManufacture，面向制造的设计）等技术基础上发展起来的，它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。,（1）虚拟样机技术的内容,按照美国前MDI公司总裁RobertRRyan博士（MDI公司现己被MSCSoftware公司收购）对虚拟样机技术的界定