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《火炮反后坐装置设计》课程教学大纲课程代码：110442004课程英文名称: The design for recoil mechanism课程总学时：40 讲课：38 实验:2 上机：0适用专业：武器发射工程大纲编写（修订时间）：2017年5月一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标火炮反后坐装置是武器发射工程本科的专业选修课，火炮是人类武器发展历史上出现最早的热兵器，今天在各种高新技术装备中仍然是个军兵种的主要火力手段，火炮设计者坚持不懈地为提高它的威力、机动性、反应能力、生存能力、可靠性而努力。
反后坐装置就是人们为解决火炮威力和机动性的矛盾而发展衍生出来的。
因此，火炮反后坐装置的设计在武器系统与发射工程专业的学习中具有非常重要的意义。
通过本课程的学习使学生掌握火炮反后坐装置的基本构成、基本原理、各机构的受力分析和运动过程，从而指导其进行反后坐装置的结构设计，为今后其它火炮专业课程的学习和从事该专业的工作打下良好基础。
(二）知识、能力及技能方面的基本要求在知识上，要求学生掌握火炮反后坐装置的基本结构、工作原理以及设计过程中的要点问题。
在能力上，要求学生掌握其任务、环境、功能、结构和性能指标，机构各部件在各种后坐受力环境下的运动原理，各动力学参量的分析和计算。
技能上要求学生能根据实际情况，独立完成反后坐装置的设计及初步验算。
（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路进行讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力。
讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。
2．教学手段：多媒体教学，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。
（四）对先修课的要求高等数学、理论力学、材料力学、有限元及其应用、火炮概论，枪炮内弹道等。
（五）对习题课、实践环节的要求1．习题主要在于巩固所学的基本理论，培养学生运用理论解决实际问题的能力，因此课外习题不应少于15道题。
大口径火炮反后坐装置多目标优化设计研究的开题报告一、研究背景及意义现代大口径火炮已广泛应用于陆军、海军与空军领域，其作为重要的战斗装备，其效能与性能的优劣直接关系到军队战斗训练的成败，然而火炮的反后坐力问题却是一直以来制约其性能提升的主要瓶颈之一。
在火炮射击时，火炮的后坐力会导致火炮的弹丸发射精度与连续射击能力下降，同时也会对火炮本身的稳定性造成损坏，甚至威胁到操作人员的安全。
因此，如何降低火炮的反后坐力，提高火炮的稳定性和精度，成为了当前具有实际意义的问题。
二、研究内容及技术路线本课题研究的对象是大口径火炮的反后坐装置多目标优化设计，主要内容包括对火炮反后坐装置设计的优化与改进，通过对火炮射击时的动态力学模拟分析，确定合理的反作用力控制方案，从而降低火炮的反后坐力，提高火炮的稳定性和精度。
具体的技术路线如下：1. 收集大口径火炮反后坐装置的相关实验数据和文献信息，对其结构和原理进行分析，并进行反作用力分析。
2. 基于SolidWorks和ANSYS软件平台，建立大口径火炮反后坐装置三维模型，并进行有限元分析，探究反后坐装置的结构设计对火炮反作用力的影响。
3. 分析火炮在射击过程中的动态特性，建立反作用力控制系统的数学模型，利用控制理论技术，设计并优化反作用力控制算法。
4. 通过算法验证模拟和实验，验证算法和模型的有效性和可靠性，为下一步火炮反后坐装置的应用提供科学依据。
三、研究预期成果通过对大口径火炮反后坐装置多目标优化设计的研究，预期能够取得以下成果：1. 提出一种新的大口径火炮反后坐装置的优化和改进方法，实现火炮反作用力的稳定和控制，降低反后坐力，提高火炮的精度和稳定性。
2. 建立大口径火炮反作用力控制的数学模型和算法，并通过验证模拟和实验，科学证明算法和模型的有效性和可靠性。
3. 科学的指导火炮反后坐装置的应用，提高火炮的实用性和应用价值。
四、研究难点及解决方案1. 如何优化大口径火炮反后坐装置的结构设计，降低反后坐力。
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：***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（500～1000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。
电磁轨道炮后坐诸元与反后坐装置设计邱群先，马新科，何 行，高 博(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)摘要: 电磁轨道炮发射电磁炮弹时会对后坐部分产生电磁反作用力。
电磁反作用力的存在会使后坐部分后坐。
电磁轨道炮的后坐过程可分为2个运动时期。
自由后坐运动时期可得出后坐部分的最大后坐速度和初始后坐行程。
惯性运动时期得到的最大后坐运动行程是合理设计反后坐装置的直接依据。
依据后坐微分方程对反后坐装置进行了设计研究，给出了0°和60°射角时反后坐装置的设计结果。
对电磁轨道炮反后坐装置研究具有一定的参考价值。
关键词：电磁轨道炮；后坐诸元；反后坐装置中图分类号：TJ391 文献标识码：A文章编号： 1672 – 7649(2019)02 – 0150 – 04 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2019.02.030Research on recoil data and anti-recoil mechanism design of electromagnetic railgunQIU Qun-xian, MA Xin-ke, HE Hang, GAO Bo(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)Abstract: Anti-electromagnetic-force is produced while projectile is launched in electromagnetic railgun. The existing force will make the recoil assemble move along the opposite direction of projectile. The recoil process can be regarded as two movement periods. Maximum velocity and original recoil displacement can be calculated from free recoil movement period. The maximum recoil displacement obtained from inertia recoil movement period is the direct basis to design the anti-recoil mechanism. According to the recoil differential equation, the results of 0° and 60° elevation were calculated. The re-search has some reference significance to study anti-recoil mechanism.Key words: electromagnetic railgun；recoil data；anti-recoil mechanism0 引 言近年来，美国海军主导的新概念武器——舰载电磁轨道炮项目吸引了全世界的目光。
某火炮反后坐装置布局方案数值模拟分析于情波;刘俊民;杨国来;萧辉;陈宇【摘要】反后坐装置布局对火炮的总体性能有重要影响,为了定量分析不同反后坐装置布局方案,建立了某火炮反后坐装置典型布局方案的有限元模型,对火炮主要架体进行了结构刚强度数值计算和对比分析.研究表明制退机和复进机空间对称布局方案有利于提高火炮刚强度,进一步的非线性有限元动力学数值计算及分析表明,这种布局方案也有利于减小对炮口振动的影响.【期刊名称】《火炮发射与控制学报》【年(卷),期】2017(038)001【总页数】5页(P12-16)【关键词】机械设计;反后坐装置布局;有限元;刚强度分析;非线性动力学;炮口振动【作者】于情波;刘俊民;杨国来;萧辉;陈宇【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;内蒙古北方重工业集团有限公司,内蒙古包头 014000;南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ303大威力是现代火炮的重要发展方向之一，如何有效地控制发射载荷沿炮架传递的规律成为火炮设计研究的重要课题。
对火炮架体刚强度分析常采用有限元分析方法，对分析部件进行离散建模，计算分析发射载荷对火炮架体的刚强度的影响，并参考数值分析结果验证结构设计的可靠性[1-3]。
火炮发射载荷通过反后坐装置传递给火炮架体，造成架体一定的弹性变形，火炮架体刚弹耦合运动引起的炮口振动关系到火炮的射击精度，对于炮口振动的研究得到了高度的重视。
张春梅等[4]在ADA-MS软件中计算分析了弹丸和身管之间接触/碰撞对炮口振动的影响。
李雷等[5]研究分析了上架与座圈联接螺栓的松紧程度对炮口振动的影响。
张金龙等[6]分析了高低机接触间隙所引起的结构非线性对炮口振动的影响规律。
张俊飞等[7]考虑了诸多参数对炮口扰动的影响，通过灵敏度分析获得了各因素对炮口扰动的影响程度。
电磁轨道炮反后坐装置研究马新科，邱群先，何 行，高 博，耿 昊，岳海波(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)摘要: 随着电磁轨道炮发射能级越来越大，发射装置后坐力也越来越大，为改善炮架受力，使用反后坐装置成为必要。
本文以某电磁轨道炮为研究对象，建立了发射系统简化实体模型和动力学模型，在相同发射工况下，分别对采用3种不同类型反后坐装置的发射系统在0°和45°射角状态下的后坐复进运动规律进行仿真计算，得出在宽射角范围条件下，采用两复进机和两驻退机均匀对称布置方式的反后坐装置，反后坐综合效能更优的结论。
本研究对大能量、宽射角电磁轨道炮的发射系统总体设计具有一定的参考价值。
关键词：电磁轨道炮；射角；反后坐装置；后坐复进规律中图分类号：TJ02 文献标识码：A文章编号： 1672 – 7649(2019)03 – 0137 – 05 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2019.03.027Research on recoil mechanism of electromagnetic rail gunMA Xin-ke, QIU Qun-xian, HE Hang, GAO Bo, GENG Hao, YUE Hai-bo(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)Abstract: With the increasing energy level of the electromagnetic rail gun, the recoil of the launcher is getting bigger and bigger. In order to improve the force of the carriage, it is necessary to use the recoil device. In this paper, an electromag-netic rail gun was taken as the research object, and the simplified model and dynamic model of launch system were estab-lished. Under the same launching conditions, the recoil law of the launching system with three different types of recoil mech-anism at 0°and 45°elevating angle , was simulated respectively. It is concluded that under the condition of wide angle of fire, the comprehensive efficiency of the recoil mechanism with two reentry machine and two recoil machine in symmetrical ar-rangement is better than two others. This study has a certain reference value for the overall design of the launch system of the electromagnetic rail gun with large energy and wide angle of fire.Key words: electromagnetic rail gun；angle of fire；recoil mechanism；recoil law0 引 言电磁轨道炮是一种靠电磁力将弹丸加速到超高速度的新概念武器，由于在军事领域具有广阔的应用前景，目前已有多个国家对这一电能武器开展研究[1]。
由牛顿第三定律，电磁轨道炮推动弹丸向前运动时，炮身会受到一个反方向的后坐力[2 – 3]。
美国ISL研究中心和TEXAS研究中心在试验中也验证了电磁轨道炮存在后坐力[4 – 5]。
从美国公开的其位于达尔格伦海军水面作战武器中心进行的32 MJ电磁轨道炮发射试验视频资料中可以看出，在发射过程中，装置存在明显的后坐运动，同样验证了后坐力的存在。
随着研究的进展，电磁轨道炮的发射能级将不断提高，炮口动能越来越大，发射装置的后坐力也将越来越大。
如果身管与炮架刚性连接，则将对炮架形成很大的冲击，为保证结构稳定，炮架需要设计的很大[6]，这将不利于后续工程化应用。
因此，为改善炮架受力，缩小架体结构尺寸，需在身管与炮架间设置起缓冲作用的反后坐装置，使二者间成为弹性连接方式。
目前，常规火炮使用的反后坐装置已较为成熟，发展过程中形成了多种结构类型和布局方式的反后坐装置，如某57G火炮采用的是与身管同心的弹簧式复进机和带针式复进节制器的节制杆式制退机，某85J火炮采用的是液体气压式复进机和带沟槽式复进节制器的节制杆式制退机，上述2种火炮的复进机和制退机第41 卷 第 3 期舰 船 科 学 技 术Vol. 41, No. 3 2019 年 3 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY Mar. , 2019收稿日期: 2018 – 07 – 27作者简介: 马新科(1986 – )，男，工程师，主要从事电磁发射技术研究。
均分别布置在身管的上下两侧；美国M2A1-105榴弹炮采用了双筒式短节制杆制退复进一体机，2个外筒同样分别布置在身管的上下两侧[7]。
相对于常规火炮，电磁轨道炮作为新概念武器具有其自身的特点，如后坐部分质量大、炮口动能大等，发射过程中，尤其是高射角发射时，后坐工况复杂，对反后坐装置结构类型和布局方式具有更高要求，而国内外在此方面的研究较少，因此对电磁轨道炮反后坐装置的研究十分必要。
本文基于某轨道炮发射系统实体模型，分别对采用3种类型反后坐装置时的后坐规律进行仿真计算，从而研究反后坐装置结构类型和布局方式对后坐过程的影响。
1 发射系统模型建立1.1 发射系统模型发射系统简化实体模型如图1所示，包括身管、反后坐装置连接板、上下导电轨道和馈电装置，这些部件组成轨道炮的后坐部分。
1.2 动力学模型取后坐部分为研究对象，对射击时后坐部分进行受力分析。
分析受力时，忽略弹丸对内膛的摩擦力，并假设所有的力均作用在射面内，且后坐部分为刚体[8 – 9]。
射击时后坐部分受力情况如图2所示。
后坐过程中，反后坐装置为后坐部分提供制动力直至装置停止后坐。
以炮膛轴线为x 轴，轨道炮模型的动力学方程为：m h d 2xd t2=F pt −F T −(F f +F z +F )+m h g sin α。
(1)F pt m h m h g式中：为后坐主动力；为后坐部分质量；F N F T F f +F z +F 为后坐部分自身重力；为架体导轨对后坐部分的法向反力；为架体导轨与后坐部分的摩擦力；为反后坐装置阻力和密封件摩擦力。
2 3种类型反后坐装置及反后坐效能分析对于有后坐运动的发射器，其后坐规律取决于自身结构和所使用的反后坐装置，在自身结构确定的情况下，不同类型的反后坐装置和布局方式，会对后坐规律产生不同的影响。
结合3种不同类型的反后坐装置，对电磁轨道炮的后坐规律进行仿真，并进一步分析3种类型反后坐装置的反后坐效能。
2.1 3种类型反后坐装置2.1.1 反后坐装置布局图结合图1所示的某轨道炮的简化实体模型，3种类型的反后坐装置布局图如图3所示。
图3（a ）所示的类型1反后坐装置（简称类型1）由1套复进机和1套驻退机组成，二者对称布置在身管的上下两侧；图3（b ）所示的类型2反后坐装置（简称类型2），由2套与类型一具有相同结构尺寸的复进机和驻退机组成，两复进机对称布置在身管的上下两侧，两驻退机对称布置在身管的左右两侧；图3（c ）所示的类型3反后坐装置（简称类型3），由4套相同的单筒式驻退复进机组成，均匀布置在身管的四周。
2.1.2 3种类型反后坐装置结构方案1）复进机结构方案类型1和类型2的复进机为气压式复进机，结构方案如图4所示。
其中复进杆端部与后坐部分相连，外筒与炮架相连，储气腔内气压可调，活塞的工作面积为0.013 m 2，储气腔初容积为0.018 m 3，其工作原理是：后坐过程中，轨道炮后坐部分拉动复进杆使其与外筒产生相对运动，进而压缩储气腔中的气体储存复进能量。
2）驻退机结构方案类型1和类型2的驻退机为带针式复进节制器的图 1 发射系统简化实体模型Fig. 1 Simplified entity model of launch system图 2 后坐部分受力示意图Fig. 2 Schematic diagram of recoil force图 3 三种类型反后坐装置布局图Fig. 3 Layout of three types of recoil device· 138 ·舰 船 科 学 技 术第 41 卷节制杆式驻退机，结构方案如图5所示。
驻退杆端部与后坐部分相连，外筒与炮架相连，其工作原理是：后坐过程中，后坐部分带动驻退杆与节制杆产生相对运动，节制杆与节制环间形成变截面流液孔，液体流过该流液孔时形成液压阻力，复进过程中，液体流过针式复进节制器上的变截面沟槽形成液压阻力。
3）驻退复进机结构方案类型3的驻退复进机为带复进缓冲弹簧的驻退复进一体机，结构方案如图6所示。
其中大活塞杆端部与后坐部分相连，外筒与炮架相连，储气腔内气压可调，活塞的工作面积为0.01 m2，储气腔初容积为0.002 m3，其工作原理是：后坐过程中，后坐部分带动大活塞杆与外筒产生相对运动，通过储油腔中的油液将压力传递到浮动活塞，使其压缩储气腔气体储存复进能量，同时液体流过节制杆与节制环之间的变截面流液孔形成液压阻力，复进过程中，浮动活塞通过油液将复进力传递给大活塞杆，使大活塞杆与外筒产生相对运动，通过复进缓冲弹簧进行缓冲。
2.2 后坐复进过程仿真对后坐复进过程的仿真计算就是对式（1）的求解计算，在VC环境下编制计算程序，时间步长设置为0.1ms，在相同的发射工况下，对某轨道炮分别使用3种类型反后坐装置时的后坐复进过程进行仿真计算。
2.2.1 输入条件设定发射工况如表1所示。
计算过程中，由于3种类型反后坐装置的储气腔数量不同，因此需设置不同的气压初值，所设置的气压初值为保证轨道炮在射角范围内均能够复进到位的最小值。
