基于虚拟样机技术对某炮闩系统零部件动力学特性的若干新认识
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收稿日期:2002-01-17
第20卷 第3期计 算 机 仿 真2003年3月 文章编号:1006-9348(2003)03-0012-03
基于虚拟样机技术对某炮闩系统零部件动力学特性的若干新认识
杜中华,王兴贵,狄长春(军械工程学院火炮工程系,河北石家庄050003)摘要:基于动力学仿真软件ADAMS和CAD软件Pro/Engineer建立了某型炮闩系统的虚拟样机,可以更加深入地对炮闩系统这一极其复杂的机械系统中各零部件的动力学特性进行认识,该文阐述了基于虚拟样机得出的若干可能与传统认识不同的结论。关键词:虚拟样机;炮闩系统;动力学特性中图分类号:TP319 文献标识码:A
1 引言炮闩系统是火炮的一个十分重要的组成部分,由于其零部件数量多,机构关系运动复杂,使得长期以来对其的研究只能建立在诸多的假设之上,如将零部件不规则曲面的碰撞视为单面约束等,这样一来对炮闩系统的研究就很难反映其真实情况,对炮闩系统中一些零部件动力学特性的认识也只能停留在定性甚至直观想象的层次上。随着计算机技术、CAD技术以及多体系统动力学理论的迅速发展,使得借助CAD软件和动力学仿真软件在计算机上对炮闩系统进行仿真研究、更深入地对炮闩系统加以认识成为可能,本文借助美国PTC公司的大型CAD软件Pro/Engineer和美国MDI公司先进的动力学仿真软件建立了某型火炮炮闩系统的虚拟样机[1],并基于该虚拟样机,阐述了该炮闩系统中一些零部
件不同于传统认识的动力学特性。
2 碰撞过程的不连续性在过去对炮闩系统的研究过程中往往将零部件不规则曲面间碰撞后的作用视作连续接触,这与实际情况并不完全符合,由于炮闩系统中存在诸多的传递力和运动的零部件,
碰撞作用较多,对碰撞过程连续接触的假设将在很大程度上影响炮闩系统的仿真精度。在建立炮闩系统的虚拟样机的过程中,本文用Pro/Engi2neer形成较精确的零部件的不规则碰撞曲面,在ADAMS中用下述模型描述碰撞作用过程。F=Kδe+C(δ)
δ
其中,F—法向接触力K—Herts接触刚度C—阻尼系数,通常随δ呈正比变化δ—接触点法向穿透距离
e—不小于1的指数
该模型可描述炮闩系统中各零部件间碰撞作用的不连续性,且对炮闩系统中由于碰撞作用而引起的变拓扑结构也可方便描述。下面给出某型火炮在实弹射击时(以下图形均指实弹射击时的情况)两个碰撞力的变化规律见图1和图2。
图1 开闩板与曲柄间碰撞力图2 关闭杠杆滑轮与支筒间碰撞力可以看出,碰撞过程中接触力的变化并不平滑,且可能出现两部件碰撞后短期脱离,而后再次碰撞的现象,有文献指出,这种不连续的接触作用可能是导致炮闩系统不能正常抽筒的一个原因。
3 弹簧力的变化规律图3和图4是炮闩系统中两个典型弹簧力,可以看出,
—21—在力变化剧烈的地方均有锯齿状的缓冲作用,这是弹簧力的一个重要特点。另外弹簧力还可反映闩体中一些零部件的运动规律,如图3就反映了闩体在垂直方向的运动,图4中曲线中部的直线段表征闩体处于开闩位置,两端曲线保持一定的斜度则反映了闩室导向面的倾斜特征。
图3 关闩簧力图4 压栓簧力在通常的印象中,弹簧力的大小与弹簧的变形量成正比关系,比例系数就是弹簧刚度,对炮闩系统中弹簧的设计也是基于这样的线性考虑,但这种思维方式是建立在通常弹簧的变形速度不是很大的假设之上,当弹簧的变形速度极大时,弹簧力的变化规律会与通常的想象大相径庭。弹簧力的描述模型为:
F=-K(l-l0)-μdldt+F0
其中,F,F0—当前及初始弹簧力K—弹簧刚度l,l0—弹簧当前及初始长度
μ—弹簧阻尼系数
图5和图6是炮闩系统中两个典型的弹簧力变化规律,
初一看似乎“荒诞不经”,但两图中弹簧力的极大突变正是由极大的弹簧变形速度引起的。
4 约束反力的变化规律约束反力是很难计算的一类力,如曲臂杠杆轴上有曲臂、开启杠杆和关闭杠杆三个部件同时作用,各部件的作用在不同时刻将发生不同的变化,因此约束反力将反映许多力作用的整合效果。以前用传统理论和手段很难较精确地对约束反力加以计算,虚拟样机技术则很好地解决了这一问
图5 回针簧力图6 挡弹板压筒簧力题。图7和图8是炮闩系统中两个典型的约束力,两图中以垂直方向为y方向(从上至下),以身管轴线方向为z方向(从前至后)。图7中曲线在整体上的向下偏移是由后坐部分的重力引起的。曲线从开始到结束的六个尖状峰值分别对应仿真开始、闩体开始下移、关闭滑轮与支筒横槽下沿棱部作用、闩体下降到最下方位置、闩体开始被固定于开闩位置、闩体关闩到位六个时刻。图8中曲线的各尖状突起也反映了炮闩系统中特定时刻一些特定部件的特定作用。
图7 炮尾和摇架间y向约束力图8 炮尾和闩体间z向约束力—31—5 保险器杠杆和曲臂的“二次碰撞”在对炮闩系统的传统认识中(包括各种构造和修理教材),保险器杠杆与曲臂间似乎仅在关闩到位时发生碰撞,从而使保险器杠杆后支臂脱离拨动子驻拴下方缺口,解脱保险,这里姑且称这种碰撞为“一次碰撞”。基于建立的虚拟样机,可以发现在开闩到最下方位置附近时,保险器杠杆还会与曲臂的弧部发生猛烈碰撞,可称之为“二次碰撞”,由于“二次碰撞”要改变保险器杠杆轴所受约束力,使该力呈现更强的交变特性,对保险器杠杆轴的折断(炮闩系统中出现频数较高的一类故障)有一定影响。“二次
碰撞”见图9。
5 结论利用虚拟样机这一新技术手段可以对以前极难研究的复杂的炮闩系统进行详细的分析和研究,得出许多对实际设计、使用和保障都很有指导意义的重要的定量结论。同时一些结论可能突破行业内的传统认识,表现出一种“认识上的革命”,及早地把握并对这种“新的认识”加以深入研究,对提高我军火炮的现代化水平有十分重要的现实意义。
参考文献:
[1] 杜中华,王兴贵.PRO/E和ADAMS传递过程中曲线丢失问题的处理办法[J].机械工程师,2001(11)1
图9 保险器杠杆与曲臂间的二次碰撞作者简介杜中华(1973-),男(汉族),河南义马人,硕士,讲
师,主要方向:系统仿真、优化设计。王兴贵(1961-),男(汉族),黑龙江桦南人,博士,
教授,主要方向:一般力学、系统仿真。狄长春(1971-),男(汉族),江苏海安人,博士,讲
师,主要方向:CAD、结构动力学。
SomeNewResultsAboutParts’DynamicCharacteristicsinXXBreechMechanismBasedonVirtualPrototypeTechnology
DUZhong-hua,WANGXing-gui,DIChang-chun(DepartmentofGunEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,ShijiazhuangHebei050003,China)ABSTRACT:BasedonXXbreechmechanismvirtualprototypebuiltwithdynamicssimulationsoftwareADAMSandCADsoftwarePro/Engi2neer,dynamiccharacteristicsofpartsintheverycomplexmechanismsystemcanbestudieddeeply.Aimedwithvirtualprototypethispaperpresentsseveralresultsthatdifferfromtraditionalunderstanding.KEYWORDS:Virtualprototype;Breechmechanism;Dynamiccharacteristic
(上接第74页)NeuralNetworkBasedSystemIdentificationandControlToolboxesinMatlabEnvironment
ZHANGHao-ran,HANZheng-zhi,LIChang-gang(DepartmentofAutomationShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China)ABSTRACT:Inthispaper,webrieflyintroducetwotoolboxesofneuralnetworkbasedidentificationandcontrolofnonlineardynamicalsystemsintheMATLABenvironment,andgiveaextensivelyoverviewoftheentirecollectionoftoolboxfunctionswhichusedtoidentifyandcontrolnonlinearsystem.Atlastwegiveaconcreteexampletoillustratehowtodesignneuro-identifierandneuro-controllerwiththetoolboxes.KEYWORDS:Neuralnetwork;Nonlinearsystemidentification;Control
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