LMS Virtual.Lab在火炮反后坐实验台设计中的应用
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LMS b 在火炮反后坐实验台设计中的应用
2006 LMS 首届用户大会论文集
LMS b 在火炮反后坐实验台设计中的应用
王炎1 贾长治1 邓辉咏1 乔梁2
(1． 军械工程学院，河北石家庄 050003； 2. 247 军代表室)
摘要：虚拟样机技术实际上是一种崭新的产品开发方法，是基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。本文基于 b 环境，建立了火炮反后坐部分虚拟样机，借助 b 中所提供的用户自定义子程序模版，通过 FORTRAN 语言编程实现了复杂变力元素的添加。最终，根据仿真结果获得了实验台所需卷扬机的技术参数。
3. 在 b 中，将 Solution Set 中的 Customized Solver 设置为上一步已经添加好的 Customized Solver。
复进时的驻退机阻力φ0H 由三部分组成，它们分别是驻退机液流口处的液压阻力、复进节制器产生的
液压阻力和复进机活瓣上产生的液压阻力。其表达式形式与（1）式类似，可以在已有的 tsda.f 中添加 FORTRAN 语句来计算该力。TSDA1 的两定义点分别为 A 和 B，A 点在驻退杆上，B 点在驻退筒上。由于 该型火炮采用的是筒后坐，所以 A 点固定，B 相对 A 运动。定义 TSDA1 的自由长度为 0，即初始状态 A、 B 重合。当 B 远离 A 时，速度（VELCTY）为正值，驻退阻力（FORCE）指向 A，为正值；B 靠近 A 时， 速度（VELCTY）为负值，驻退阻力（FORCE）背离 A，为负值。在子程序中通过判断变量 VELCTY 的
b 中，有 Bushing、Beam、Tsda、Scalar Expression Force 等多种载荷添加方式。鉴于φ0 的表达式
极其复杂，该力的实现借助 b 中所提供的用户自定义子程序模版，通过 FORTRAN 语言编程来实 现，具体实现步骤如下：（本文使用的是 tsda.f 模版，该模板放在<VLMOTIONSLV>\src\userdef 中，其中 <VLMOTIONSLV>为 b 的安装目录。）
Ff －复进机力，后坐运动的约束反力，复进运动的主动力； F －反后坐装置紧塞具与复进杆之间的摩擦力，其方向与后坐部分的运动方向相反； FT1、FT 2 －炮身与摇架滑板之间摩擦力，方向与后坐部分运动方向相反，计算时用 FT 代替； NT1、NT 2 －摇架滑板对炮身的正压力； ϕ －火炮射角
当火炮平稳后坐时，沿炮身轴线方向受力平衡方程为：
// VELCTY ≥ 0 表示为后坐过程
// ENMBR=1 表示驻退机力
…
ELSEIF(ENMBR==2)THEN
// ENMBR=2 表示复进机力
…
ENDIF
ElSEIF(VELCTY.LT.0)THEN
3. 模型的验证
// VELCTY<0 表示为复进过程
样机模型的正确性和精确度直接影响到仿真的置信度，保证建立的计算机仿真模型的正确性是仿真建
22.587m/s2，后坐到位用时 0.514s。
4.2 施加速度的后坐仿真
分别使炮身以 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5m/s 秒的速度平稳后坐，通过虚拟样机仿真得到各后坐速度下的
驱动力如图 8 所示。
105789.38
113004.68
人工后坐 0.1m/s 的牵引力
人工后坐 0.2m/s 的牵引力
1. 在驻退机和摇架之间添加一个弹簧力元素 TSDA。将该弹簧力元素的刚度、阻尼等参数都为零，且 设置它为用户定义的形式。这样，可以在 tsda.f 中编写程序具体定义该力的大小和作用范围。
2. 在 b 中添加一个 Customized Solver，在该 Customized Solver 中导入已经编写好的 tsda.f。 b 包含与 FORTRAN 6.6B 的接口，双击 Customized Solver,然后点击 Test Build 按钮，生成 userdef.dll 文件，该文件即为求解器所需要的链接文件。若在该过程中出现错误，可参照生成的 build.tmp 文件，该文 件与 tsda.f、userdef.dll 文件在同一工作目录下。
2. 火炮后坐部分虚拟样机模型的建立
2006 LMS 首届用户大会论文集
2.1 动力学分析 火炮后坐部分后坐时受力分析如图 2 所示，
Ф
后坐方向
F
F
` 其中
F F
m
图 2 火炮后坐受力简图
Fp －为钢丝绳拉力，为后坐部分后坐运动的主动力；
mh g －后坐部分重力，方向垂直向下，为主动力；
φ0 －驻退机液压阻力，为后坐运动的约束反力，方向向前；
实验台工作简图如图 1 所示，将某型牵引炮的上架以下部分拆出，只保留上架及其以上部分，将上架 安装在水泥基座上，卷扬机的钢丝绳通过导向轮导向牵引炮身炮尾沿身管轴向平行后移，直到达到最大后 坐长度，然后卷扬机迅速倒转，储存在反后坐装置中的能量释放，推动炮身复进到位。该实验台设计的基 础是定制适当型号的卷扬机，使得后坐平稳到位，且复进过程不受钢丝绳的拉力。
次类推。本例中在复进机筒与复进杆之间再添加一个 TSDA 元素代表复进机力，其 ENMBR 值为 2，其它
诸如炮膛合力、常数阻力、开闩阻力等力元素的添加方式类似。在 tsda.f 中通过 ENMBR 值，编写不同控
制力的程序如下：
IF(VELCTY.GE.0)THEN IF(ENMBR==1)THEN
Fp = φ0 + Ff + F + mh g( f cosϕ − sin ϕ)
φ0 、 Ff 均为位移和速度的函数， f 为铜对铜的摩擦系数 0.16， ϕ 的取值为 −5o ~ 45o ， Fp 在 ϕ ∈ ⎡⎣−5o , 45o ⎤⎦ 递减。当射角ϕ 一定时， Fp 为位移和速度的函数。
复进过程中，由于卷扬机快速倒转，钢丝绳拉力消失，炮身在复进机力作用下复进，反后坐装置紧塞
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2006 LMS 首届用户大会论文集
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人工后坐 0.3m/s 的牵引力
人工后坐 0.4m/s 的牵引力
人工后坐 0.3m/s 的牵引力
人工后坐 0.4m/s 的牵引力
图 8 不同后坐速度下的牵引力
由以上仿真结果可以得出结论，随着人工后坐速度的增加，初始时刻的驱动力不断增大，后坐到极限
当后坐牵引力为 50KN 时，可以产生后坐位移，但不能使炮身后坐到位，最大后坐位移是 429mm。
当后坐牵引力为 70KN吨时，可以使炮身后坐到位，最大后坐位移是 838mm，最大后坐速度为 2.2m/s，
最大后坐加速度为 11.1 m/s2，后坐到位用时 0.625s。
当后坐牵引力为 80KN时，最大后坐位移是 900mm，最大后坐速度是 2.658m/s，最大后坐加速度为
炮
导 向
水泥
钢丝绳 卷
卷扬机
图 1、火炮反后坐实验台简图
本文在 LMS b 环境下，利用软件自身加力模块和编写 FORTRAN 程序这两种方式，施加各种 力元素，建立了某型牵引炮后坐部分的虚拟样机动力学模型，并验证了其有效性，最终通过仿真获得了所 需卷扬机的具体参数。
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LMS b 在火炮反后坐实验台设计中的应用
位置（按 950mm计算）时的驱动力也不断增大，由 0.1m/s时的 106KN增加到 0.4m/s2时的 142KN。
关键词：虚拟样机 LMS b 反后坐装置
1. 前言
炮闩系统和反后坐装置是目前我军几种大口径火炮的重要组成部分。炮闩系统用以闭锁炮膛、击发炮 弹和抽出药筒，其功能多，机构复杂，故障率较高[1]。反后坐装置包括制退机和复进机，用以保证火炮发 射时平稳后坐和复进，当其出现故障时，整个火炮系统的工作将受到极大影响，甚至无法工作[2]。因此有 必要建立一个火炮反后坐实验台，通过该实验台开展大量的火炮操作训练模拟，定量测量关键零部件的磨 损量、故障与磨损次数的关系，从而提取令人信服的关键零部件的磨损和故障规律。
由于在 b 中，只允许用户添加一个子程序，因此用户所有自定义的力必须放入同一个模板中，
可以通过变量 ENMBR 的值对它们进行区别。用来传递用户自定义力的弹簧元素的 ENMBR 值由其定义的
先后顺序决定。即第一个定义弹簧元素的 ENMBR 值为 1，第二个被定义弹簧元素的 ENMBR 值为 2，依
在图
6
中仿真值
X
max
与设计值
X
d max
最大相对误差为
1.56％。在图
7
中速度仿真值 Vmax
与设计理
论值
Vd max
最大相对误差为
0.47％，两者误差均不超过
2％，均满足工程应用需要[2]，所建立虚拟样机模加牵引力的后坐仿真
炮身置于水平位置，人工后坐牵引力、后坐时间、最大后坐速度的计算结果如下：
后坐时的液压阻力，是靠驻退机活塞挤压液体高速流过驻退机流液孔而产生的。驻退机力液压阻力 φ0
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2006 LMS 首届用户大会论文集
是后坐行程和后坐速度的函数[3]，其表达式为：
φ0 = f (ax )V 2
（1）
其中: f (ax ) 称为结构函数，仅为后坐行程的函数，且后坐和复进过程的 f (ax ) 表达式不同。在
模的一个重要问题[4]。本文以 0o 全装药射击情况为例对虚拟样机进行了验证。采用“最大值”比较法对后
坐位移和速度仿真值与设计理论值进行对比，结果如图 6、7 所示：
图 6 后坐（和复进）位移对比图
图 7 后坐（和复进）速度对比图 5
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值来确定炮身是后坐还是复进，若 VELCTY>0 则为后坐过程，驻退阻力为φ0 ，若 VELCTY<0 则为复进过
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王炎1 贾长治1 邓辉咏1 乔梁2
(1． 军械工程学院，河北石家庄 050003； 2. 247 军代表室)
摘要：虚拟样机技术实际上是一种崭新的产品开发方法，是基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。本文基于 b 环境，建立了火炮反后坐部分虚拟样机，借助 b 中所提供的用户自定义子程序模版，通过 FORTRAN 语言编程实现了复杂变力元素的添加。最终，根据仿真结果获得了实验台所需卷扬机的技术参数。
3. 在 b 中，将 Solution Set 中的 Customized Solver 设置为上一步已经添加好的 Customized Solver。
复进时的驻退机阻力φ0H 由三部分组成，它们分别是驻退机液流口处的液压阻力、复进节制器产生的
液压阻力和复进机活瓣上产生的液压阻力。其表达式形式与（1）式类似，可以在已有的 tsda.f 中添加 FORTRAN 语句来计算该力。TSDA1 的两定义点分别为 A 和 B，A 点在驻退杆上，B 点在驻退筒上。由于 该型火炮采用的是筒后坐，所以 A 点固定，B 相对 A 运动。定义 TSDA1 的自由长度为 0，即初始状态 A、 B 重合。当 B 远离 A 时，速度（VELCTY）为正值，驻退阻力（FORCE）指向 A，为正值；B 靠近 A 时， 速度（VELCTY）为负值，驻退阻力（FORCE）背离 A，为负值。在子程序中通过判断变量 VELCTY 的
b 中，有 Bushing、Beam、Tsda、Scalar Expression Force 等多种载荷添加方式。鉴于φ0 的表达式
极其复杂，该力的实现借助 b 中所提供的用户自定义子程序模版，通过 FORTRAN 语言编程来实 现，具体实现步骤如下：（本文使用的是 tsda.f 模版，该模板放在<VLMOTIONSLV>\src\userdef 中，其中 <VLMOTIONSLV>为 b 的安装目录。）
Ff －复进机力，后坐运动的约束反力，复进运动的主动力； F －反后坐装置紧塞具与复进杆之间的摩擦力，其方向与后坐部分的运动方向相反； FT1、FT 2 －炮身与摇架滑板之间摩擦力，方向与后坐部分运动方向相反，计算时用 FT 代替； NT1、NT 2 －摇架滑板对炮身的正压力； ϕ －火炮射角
当火炮平稳后坐时，沿炮身轴线方向受力平衡方程为：
// VELCTY ≥ 0 表示为后坐过程
// ENMBR=1 表示驻退机力
…
ELSEIF(ENMBR==2)THEN
// ENMBR=2 表示复进机力
…
ENDIF
ElSEIF(VELCTY.LT.0)THEN
3. 模型的验证
// VELCTY<0 表示为复进过程
样机模型的正确性和精确度直接影响到仿真的置信度，保证建立的计算机仿真模型的正确性是仿真建
22.587m/s2，后坐到位用时 0.514s。
4.2 施加速度的后坐仿真
分别使炮身以 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5m/s 秒的速度平稳后坐，通过虚拟样机仿真得到各后坐速度下的
驱动力如图 8 所示。
105789.38
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人工后坐 0.1m/s 的牵引力
人工后坐 0.2m/s 的牵引力
1. 在驻退机和摇架之间添加一个弹簧力元素 TSDA。将该弹簧力元素的刚度、阻尼等参数都为零，且 设置它为用户定义的形式。这样，可以在 tsda.f 中编写程序具体定义该力的大小和作用范围。
2. 在 b 中添加一个 Customized Solver，在该 Customized Solver 中导入已经编写好的 tsda.f。 b 包含与 FORTRAN 6.6B 的接口，双击 Customized Solver,然后点击 Test Build 按钮，生成 userdef.dll 文件，该文件即为求解器所需要的链接文件。若在该过程中出现错误，可参照生成的 build.tmp 文件，该文 件与 tsda.f、userdef.dll 文件在同一工作目录下。
2. 火炮后坐部分虚拟样机模型的建立
2006 LMS 首届用户大会论文集
2.1 动力学分析 火炮后坐部分后坐时受力分析如图 2 所示，
Ф
后坐方向
F
F
` 其中
F F
m
图 2 火炮后坐受力简图
Fp －为钢丝绳拉力，为后坐部分后坐运动的主动力；
mh g －后坐部分重力，方向垂直向下，为主动力；
φ0 －驻退机液压阻力，为后坐运动的约束反力，方向向前；
实验台工作简图如图 1 所示，将某型牵引炮的上架以下部分拆出，只保留上架及其以上部分，将上架 安装在水泥基座上，卷扬机的钢丝绳通过导向轮导向牵引炮身炮尾沿身管轴向平行后移，直到达到最大后 坐长度，然后卷扬机迅速倒转，储存在反后坐装置中的能量释放，推动炮身复进到位。该实验台设计的基 础是定制适当型号的卷扬机，使得后坐平稳到位，且复进过程不受钢丝绳的拉力。
次类推。本例中在复进机筒与复进杆之间再添加一个 TSDA 元素代表复进机力，其 ENMBR 值为 2，其它
诸如炮膛合力、常数阻力、开闩阻力等力元素的添加方式类似。在 tsda.f 中通过 ENMBR 值，编写不同控
制力的程序如下：
IF(VELCTY.GE.0)THEN IF(ENMBR==1)THEN
Fp = φ0 + Ff + F + mh g( f cosϕ − sin ϕ)
φ0 、 Ff 均为位移和速度的函数， f 为铜对铜的摩擦系数 0.16， ϕ 的取值为 −5o ~ 45o ， Fp 在 ϕ ∈ ⎡⎣−5o , 45o ⎤⎦ 递减。当射角ϕ 一定时， Fp 为位移和速度的函数。
复进过程中，由于卷扬机快速倒转，钢丝绳拉力消失，炮身在复进机力作用下复进，反后坐装置紧塞
6
LMS b 在火炮反后坐实验台设计中的应用
125031.15
2006 LMS 首届用户大会论文集
141865.85
人工后坐 0.3m/s 的牵引力
人工后坐 0.4m/s 的牵引力
人工后坐 0.3m/s 的牵引力
人工后坐 0.4m/s 的牵引力
图 8 不同后坐速度下的牵引力
由以上仿真结果可以得出结论，随着人工后坐速度的增加，初始时刻的驱动力不断增大，后坐到极限
当后坐牵引力为 50KN 时，可以产生后坐位移，但不能使炮身后坐到位，最大后坐位移是 429mm。
当后坐牵引力为 70KN吨时，可以使炮身后坐到位，最大后坐位移是 838mm，最大后坐速度为 2.2m/s，
最大后坐加速度为 11.1 m/s2，后坐到位用时 0.625s。
当后坐牵引力为 80KN时，最大后坐位移是 900mm，最大后坐速度是 2.658m/s，最大后坐加速度为
炮
导 向
水泥
钢丝绳 卷
卷扬机
图 1、火炮反后坐实验台简图
本文在 LMS b 环境下，利用软件自身加力模块和编写 FORTRAN 程序这两种方式，施加各种 力元素，建立了某型牵引炮后坐部分的虚拟样机动力学模型，并验证了其有效性，最终通过仿真获得了所 需卷扬机的具体参数。
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LMS b 在火炮反后坐实验台设计中的应用
位置（按 950mm计算）时的驱动力也不断增大，由 0.1m/s时的 106KN增加到 0.4m/s2时的 142KN。
关键词：虚拟样机 LMS b 反后坐装置
1. 前言
炮闩系统和反后坐装置是目前我军几种大口径火炮的重要组成部分。炮闩系统用以闭锁炮膛、击发炮 弹和抽出药筒，其功能多，机构复杂，故障率较高[1]。反后坐装置包括制退机和复进机，用以保证火炮发 射时平稳后坐和复进，当其出现故障时，整个火炮系统的工作将受到极大影响，甚至无法工作[2]。因此有 必要建立一个火炮反后坐实验台，通过该实验台开展大量的火炮操作训练模拟，定量测量关键零部件的磨 损量、故障与磨损次数的关系，从而提取令人信服的关键零部件的磨损和故障规律。
由于在 b 中，只允许用户添加一个子程序，因此用户所有自定义的力必须放入同一个模板中，
可以通过变量 ENMBR 的值对它们进行区别。用来传递用户自定义力的弹簧元素的 ENMBR 值由其定义的
先后顺序决定。即第一个定义弹簧元素的 ENMBR 值为 1，第二个被定义弹簧元素的 ENMBR 值为 2，依
在图
6
中仿真值
X
max
与设计值
X
d max
最大相对误差为
1.56％。在图
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中速度仿真值 Vmax
与设计理
论值
Vd max
最大相对误差为
0.47％，两者误差均不超过
2％，均满足工程应用需要[2]，所建立虚拟样机模加牵引力的后坐仿真
炮身置于水平位置，人工后坐牵引力、后坐时间、最大后坐速度的计算结果如下：
后坐时的液压阻力，是靠驻退机活塞挤压液体高速流过驻退机流液孔而产生的。驻退机力液压阻力 φ0
3
LMS b 在火炮反后坐实验台设计中的应用
2006 LMS 首届用户大会论文集
是后坐行程和后坐速度的函数[3]，其表达式为：
φ0 = f (ax )V 2
（1）
其中: f (ax ) 称为结构函数，仅为后坐行程的函数，且后坐和复进过程的 f (ax ) 表达式不同。在
模的一个重要问题[4]。本文以 0o 全装药射击情况为例对虚拟样机进行了验证。采用“最大值”比较法对后
坐位移和速度仿真值与设计理论值进行对比，结果如图 6、7 所示：
图 6 后坐（和复进）位移对比图
图 7 后坐（和复进）速度对比图 5
LMS b 在火炮反后坐实验台设计中的应用
2006 LMS 首届用户大会论文集
值来确定炮身是后坐还是复进，若 VELCTY>0 则为后坐过程，驻退阻力为φ0 ，若 VELCTY<0 则为复进过
