火炮反后坐装置设计论文基于遗传算法的火炮反后坐装置结构多目标优化研究

1、火炮反后坐装置设计课程论文 院系： 机械工程学院 专业： 武器系统与工程 姓名： 学号： 教师： 郑建国 2016年6月“火炮反后坐装置设计”课程论文题目（4）姓名： 1. 查找2篇有关反后坐装置的论文，阅读并综述（5001000字，原文附后）。2. 阐述在已知火炮内弹道参数、炮身质量、总体尺寸及要求的条件下，设计反后坐装置的完整过程。3. 针对弹簧式复进机、筒后坐的带针式复进节制器的节制杆式制退机：（a） 画出结构原理图，分析工作原理；（b） 建立复进时期的复进机力方程和制退机液压阻力方程；（c） 建立复进反面问题数学模型，并探讨编程求解方法。一、阅读文献综述基于遗传算法的火炮反后坐装置结构

2、多目标优化研究本文叙述了以某型火炮样机为研究对象，建立其刚柔耦合多体动力学模型，选取制退机节制杆沟槽和部分总体结构参数为设计变量，不仅考虑最大后坐阻力和后坐位移的优化，同时以弹丸出炮口瞬间的炮口扰动为优化目标，基于小生境遗传算法对反后坐装置进行多目标动力学优化设计研究，寻求各设计参数问更优的匹配关系。首先进行了遗传算法与动力学优化，通过对ADAMS软件底层计算模块的二次开发，编写遗传算法FORTRAN语言优化模块，将遗传优化算法与求解器模块联合，可以完成对设计变量的必要修改，实现对模型的完全控制，以达到最优解的效果。其次进行了反后坐装置优化，建立了火炮动力学模型，确定了设计变量：一般对制退机节

3、制杆尺寸进行优化，选取节制杆沟槽深度为设计变量；此外，从总体设计角度出发，以后坐部分质量、后坐部分质心位置、炮口制退器质量、前衬瓦与耳轴中心在同一轴线方向上距离、前后衬瓦之间距离、制退机左右布置参数、高低机扭簧刚度系数、方向机扭簧刚度系数等部分总体参数为设计变量，对火炮进行多目标优化。随后建立了目标函数，利用小生镜遗传算法和ADAMS SOLVER求解器联合优化的方法进行了火炮系统动力学优化计算，选取其中一组优化结果进行了分析。验证了所建立的模型可以实现优化目的。充分说明了火炮系统总体方案优化的重要性和必要性。基于虚拟样机技术的火炮反后坐装置设计评价研究本文开篇首先介绍了火炮反后坐装置设计评价

4、的必要性，引出了火炮虚拟样机技术。随后，进行了反后坐装置工作性能分析，提出了表征反后坐装置工作性能的三个指标：后坐阻力子性能、后坐长度子性能、开闩速度子性能，将本文研究的反后坐装置设计评价转化为对三个子性能的综合评估，给出了反后坐装置正常工作的基本准则。其次，进行了火炮虚拟样机及设计参数影响仿真，利用ADAMS建立了用于对反后坐装置性能进行仿真分析的虚拟样机，结合试验对虚拟样机进行了验证，结论证明利用该虚拟样机进行仿真和评价反后坐装置的设计具有可行性。随后列出了节制环直径对三个指标的影响仿真结果，分析了原因。接着讨论了反后坐装置设计评价方法，由于后坐阻力、后坐长度和复进开闩速度指标具有不同的量

5、纲，因此，必须对其进行标准化处理，故首先给出了归一化函数，然后利用层次分析法(AHP)获得指标影响反后坐装置性能总体重要程度。具体技术途径是根据三个子性能对火炮整体系统性能影响程度赋予一定的权值，然后通过综合评估确定一定设计参数条件下反后坐装置的工作性能如何。基于APH法获得三个指标影响反后坐装置性能的权重系数后，根据虚拟样机仿真得到反后坐装置性能指标，通过对三个指标进行归一化得到评价标准值，进而利用加权求和方法得到反后坐装置设计综合评价值。并根据综合评价值的大小进行了分级。最后给出了反后坐装置设计评价算例，并展望了虚拟样机在武器装备工程研究领域应用的前景和下一步工作的重点。二、阐述在已知火炮

6、内弹道参数、炮身质量、总体尺寸及要求的条件下，设计反后坐装置的完整过程。1.自由后坐诸元的计算1.1膛内时期自由后坐诸元计算自由后坐速度：自由后坐行程：1.2后效期自由后坐诸元计算1.2.1火药气体作用系数根据火药气体作用系数经验公式估算： =AVo对于榴弹炮、加榴炮A=1300；对于大中口径加农炮及小口径高初速火炮A=125012751.2.2后效期开始时炮膛合力Fg 后效期开始时炮膛合力Fg采用近似公式计算：FgApgFge-b1.2.3 参数和 时间常数b计算公式：b(-0.5)v0Fg 后效期作用时间计算公式：=2.303b lgpg0.17641.2.4炮口制退器冲量特征量 可根据下

7、式计算冲量特征量=m+1-T-(m+0.5)(-0.5) 1.2.5有炮口制退器自由后坐诸元计算W=Wg+Fgbmh(1-e-tb)L=Lg+Wgt+Fgbmht-b(1-e-tb)2.后坐制动图和后坐制动诸元2.1制定后坐制动图后坐阻力变化规律按固定炮第二类后坐制动图制定。FR0=Ff0+F+FT-mhgsin式中：Ff0-复进机的初力，在设计复进机时确定F-密封装置的摩擦力，F=mhg-密封装置的相应摩擦系数，取0.30.5FT-摇架导轨摩擦力，FT=fmhgcosf-摇架导轨的相当摩擦系数，取0.160.20-射角，应取拟定理论后坐阻力规律所规定的射角。一般野炮=j，高炮取=00，变后坐

8、火炮短后坐的制动图取=max，而长后坐的制动图取=00。固定火炮第二类后坐制动图的后坐阻力变化规律为：FR=FR0+FRg-FR0tgt(0ttg)FR=FRg(tgtt)式中，FRg可由后座长度在内的几个已知参数确定。2.2.求解制退后坐诸元把按照后坐制动图确定的后坐阻力规律带入转化方程，解出后坐制动诸元，画出制退后坐运动速度位移曲线。转换方程如下： V=W-1mhFR0+FRg-FR02tgttX=L-12mkFR0+FRg-FR03tgt23.液体气压式复进机设计3.1复进机初力由下式确定：Ff0>mhgsinmax+fcosmax+=mhg3.2选定初压： 对于师以下野战火炮，气

9、体初压不能太高，一般的Pf0小于5MPa。3.3确定复进机力和初压后，即可由下式计算出活塞工作面积： Af=Ff0pf03.4选择压缩比：一般中小口径火炮取Cm=1.52.5，大口径火炮可取2.53。在确定压缩比时，除了考虑使结构紧凑、重量轻及后坐过程储存足够的能量之外，还应考虑后坐制动图的约束，使复进机的末力满足3.5确定了后坐长、活塞工作面积和压缩比后，可确定复进机气体初容积。V0=Af1-Cm-1n3.6液体气压式复进机结构尺寸 a复进杆直径df由下式计算 d'f2Ff+If df1.13d'f再向大圆整到密封元件标准件尺寸。 b.复进机内筒的内径Df和外径D'f

10、 Df=df2+4Af D'fDfyy-2pfc.复进机外筒内径Dfb和外径D'fb Dfb=2H1+cos2 D'fb+0.4pf-1.3pf4.节制杆式制退机设计4.1制退机的工作长度L=max+l+2e4.2活塞工作面积a根据工作腔最大压力，活塞工作面积可近似表示为：A0=Fhmaxp1max其中，Fhmax=FRg-Ffg-(F+FT-mhgsin)选取p1max应考虑制退机密封装置工作的可靠性。对于石棉织物填料、皮质和橡胶填料、唇形填料等密封，一般工作压力为35MPa；而挤压型填料（如“O”型橡胶圈）的工作压力在100MPa以上。b.根据温升限制，活塞工作面积

11、为 A0=E（max+2e） = E1.1max按两种方法估算活塞工作面积，取其中较大者。4.3制退杆外径及制退筒内径引进经验系数y=DTdT,统计现有火炮，y值在1.72.3之间。y值选定后，则有：制退杆外径 dT=2A0(y2-1)制退筒内径 DT=2yA0(y2-1)选择结构紧凑且节制杆刚度足够的一组,圆整到密封元件标准尺寸,重新计算活塞工作面积.4.4制退杆内腔直径d1制退杆内腔直径根据其拉伸强度确定。当制退机为杆后坐时，有 d1=dT2-4 (Fh+FI)max+Fmz对于制退杆壁较薄、复进时制退杆内腔压力较高的火炮，应当进行受内压的强度校核。有 : 23 2dT2+(d1+2hm)

12、2dT2-(d1+2hm)2p3fmax4.5节制环直径节制环直径主要决定于制退机内腔结构，特别是制退杆与节制杆调速筒的装配关系。 对于d1>dp的结构: dp=d1-(46)mm 对于d1<dp的结构: dp=d14.6制退筒外径制退筒外径由强度确定 D'T=DT+23 p1max-43 p1max为了保证必要的刚度，制退筒最薄处壁厚应不小于5mm，计算结果也应调整为标准系列。4.7流液孔面积 流液孔面积 ax=(a0-Ap)322K1 FhV2-K2K1 Afj3A12节制杆直径 dx=dp4-4pax内腔液体充满条件 A1>K2K1 AfjA0-Apax4.8液

13、压阻力系数确定原则：通常作为常数，参考现有火炮同类型制退机。遵循如下原则： 1. 两制退机的制退液粘度必须一致 2.两制退机结构形式应尽量接近 3.两制退机液体压力计算公式应相同 4. 两制退机的后坐速度尽量相近节制杆式制退机的液压阻力系数通常为K1=1.21.6 K2=（24）K15.节制杆外形调整起始段调整原则：将ax增大，并向外延伸，以避免起始段的液力闭锁。终了段调整原则：增大ax，并延伸到极限后坐长jx。中间段的调整原则：使外形工艺性良好，并尽量接近理论外形。一般调整为若干个锥度。为加工和测量方便，折点与定位基准的距离应取整数，折点处节制杆直径的尾数应按0.1mm选取。 三、针对弹簧式

14、复进机、筒后坐的带针式复进节制器的节制杆式制退机：（d） 画出结构原理图，分析工作原理；（e） 建立复进时期的复进机力方程和制退机液压阻力方程；（f） 建立复进反面问题数学模型，并探讨编程求解方法。1.弹簧式复进机5957G弹簧式复进机结构图1套筒； 2螺环； 3复进簧； 4摇架颈筒； 5身管工作原理：复进簧套在身管的外面，其前端顶在与身管连接的螺环上，后端顶在摇架颈筒和环形肩部上。螺环外径镶有铜套，可在摇架颈筒内滑动。炮身后坐时压缩弹性介质储能，在复进时弹性介质释放能量，推动炮身复进到位。建立复进时期的复进机力方程：弹簧式复进机用弹簧来储存能量，弹簧力的大小是随弹簧压缩量按直线规律变化。一般

15、火炮的弹簧式复进机（6537G、5957G）后座长度就是弹簧压缩量的增量，复进机力Ff随后座长度的变化规律可写为：Ff=Ff0+Cx式中 Ff0复进机初力C 弹簧的刚度系数 x后坐行程2.筒后坐的带针式复进节制器的节制杆式制退机5957G制退机工作原理：后坐：主流由腔经流液孔到腔，腔有真空，支流由腔到腔复进：腔液流流回腔，腔真空逐渐消失，液流流回腔。接近复进到位时，节制杆末端的针杆插入制退杆末端的尾杆内，产生较大的液压阻力。 复进局部行程制动。建立复进时期的制退机液压阻力方程：制退机非工作腔真空消失以前复进不被制动，真空消失以后，液体推动活塞打开活塞头上的两条纵向沟槽，非工作腔内液体沿此沟槽和

16、后坐流液孔的两条通道流入制退机工作腔。由于推动了游动活塞使制退活塞上的两条沟槽打开，增加了流液孔的面积，因而，具有较小的液压阻力Ff参与复进制动。当附近到还剩最后一小段复进行程上，针式的复进节制尾杆插入制退杆的尾端部，使复进节制器腔工作并产生液压阻力Ffj。这段行程上的液压阻力Ffy包括制退机液压阻力Ff和复进节制器液压阻力Ffj。由流体的连续性方程和伯努利方程可求出p2f,进而可求出制退机液压阻力： Ff=ff(ax)u2其中， ff(ax)=K1f2（A0f-ac）3（ac+ax）2复进节制器的液压阻力求法与上述类似，可求得：Ffj=ff(af)u2其中： ff(af)=K2f2Afj3a

17、f23.建立复进反面问题数学模型，探讨编程求解方法复进反面计算问题是已知复进节制器的结构尺寸和流液孔尺寸，在各种射击条件下，求解实际的复进合力和复进运动诸元，以检验复进运动的性能是否满足要求。数学模型如下： mhd2dt2=mhdUdt=Fsh-Ff=FrFsh=Ff-（F+FT+mhgsin）Ff=F0f+Fff+FkfF0f=ff(ax)U2Fff=ff(af)U2Fkf=ff(ak)U2通过求解此数学模型，可以解出在要求的射击条件和已知的反后坐装置结构尺寸和液流孔尺寸条件下的复进机合力Fr-t、Fr-、复进速度U-t、U-和复进行程-t。编程求解方法探讨：对复进问题，至少做出两种条件的判

18、断，即，第一，=00，最大号装药，最高环境温度的复进反面问题计算，检验后坐部分复进到位是否发生冲击。第二，=max，最小号装药，最低环境温度的复进反面问题计算，检验后坐部分是否复进到位、半自动机或自动机的工作能否可靠完成。对于后坐部分质量大，射角变化大的大口径加榴炮，为了使复进规律保持一致，其有效的技术途径就是改变复进节制活瓣流液孔面积，因而需要试算各种射角，不同复进节制活瓣流液孔面积的复进问题。综上所述，当复进的正面设计完成以后，复进反面问题的计算是大量的、复杂的，因而必然的要花费大量的人力。为了快速和正确地完成复进问题计算，编制相应的计算机软件是必须的。复进反面问题计算程序PROGRAM FJFM采用F77计算语言，它包含主程序FJFM，龙格-库塔子程序SUBROUTINE RGKT，右端