火炮自动机动力学仿真研究

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1、火炮自动机动力学仿真的研究摘要.•简要阐述了火炮CJ动机工作过程中的动力学特点，介绍了多体系统动力学发展历程以及现状以及火炮自动机动力学仿真的基本思路，为火炮自动机的优化设计提供Y理论依据。关键词：火炮自动机；多体系统动力学；仿真1火炮自动机火炮CJ动机工作过程再宥显著动态特性。火炮Cl动机的受力所示复杂的，宥随时间变化的带脉冲性质的火药燃气压力和由零件间撺击产生的冲击力。火炮自动机的运动也是复杂的，在一个射击循环内，各机构工作吋机不同；有些构件在启动、停止或改变运动方向时，与基础构件发生剧烈碰撞。复杂机构在复杂受力状态下的高速运动和撞击

2、，这就是h动机动力学的特点。自动机动力学主要研究自动机在不同工作阶段，在不同性质的力的作用卜的运动规律，计算G动机的设计循环吋间和武器的射击频率，判断自动机在各工作阶段的运动学动态特性。火炮自动机各机构的运动吋非稳定的、断续的，并且还具有前述其他特点，因而，在普通机械原理中所用的机械动力学的分析方法，很难直接用来解决火炮自动机各机构的动力学分析问题。因此，研究和发展火炮自动机各机构分析和综合的方法，特别是动力学分析的方法，仍然是目前迫切需耍完成的一项任务。2多体系统动力学多体系统是指由多个发生相对运动的运动通过运动副迮接以实现规定功能的复

3、杂机械系统［1］。它是于上世界60年代开始在经典力学基础上发展起来并成为新的力学分支，即为研究多体运动规律的科学。已知武器系统屮各个构件的质量展性、集合外形、连接关系以及作用在各个构件上的主动力，求系统中芥构件的运动诸元（位移、速度、加速度），从而获取系统的运动规律，以便于研究武器系统及其工作性能，诸如发射响应、刚强度、可靠性等。这就是多体系统动力学方法在武器系统动力学中的应用。多体系统动力学分为多刚体系统动力学、多柔体系统动力学、刚耦合系统动力学。20世纪六、七十年代，美、德、苏的科学家先后提出了各自的方法以解决复杂机械系统动力学问题，

4、形成丫将古典的刚体力学、分析力学与现代计算机技术相结合的力学分支-多刚体系统动力学。0前已经形成了比较系统的研究方法，常用的方法有：牛顿-欧拉法、拉格朗tl方程法、罗伯森-维腾堡(R-W)方法、凯恩(kane)方法、变分方法。(1)牛顿一欧拉法:也称旋量方法，特点是列写出系统屮各刚体的动力学方程后，将大量不独立的笛卡尔广义坐标变换成独立变量，德岡学者Schiehlen等编制了符号推导的计算机程序Neweul的动力学方程，对完整约束系统用Alembert原理消除约朿反力，对非完整约朿系统用Jourdain原理消除约朿反力，最后得到与系统自由

5、度数目和同的动力学方程。(2)拉格朗H方程法:为分析力学的一种方法。对于含冇多余坐标的完整、非完整约束系统，可用带乘子的拉氏方程处理。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程，还需补充广义坐标的代数约朿方程才能封闭。(3)罗伯森一维滕堡(R-W)方法:乂称图论法。Roberson,Wittenburg将图论引入多刚体系统动力学，K一W方法以相邻刚体之间的相对位移作广义坐标，对复杂的树结构动力学关系给出了统一的数学模式，井据此推导了系统的运动微分方程,相应的程序TfMesaverdeo对非树系统，则利用

6、铰切割或刚体分割方法转变称树系统处理。(4)凯恩(kane)方法:是建立多自由度离散系统动力学方程的一种方法。它以伪速度作为独立变量来描述系统的运动，所得到的结果为一阶微分方程组，适合于完整系统和非完整系统。这种方法不用动力学函数，不需求导计算，只需耍进行矢量点积、叉积等计算，节约吋间。但它并没有给出一个适合于任意多刚体系统的普遍形式的动力学方程，广义速度的选择也需耍一定的经验和技巧。(5)变分方法:是通过将真实运动和其他的在同样条件卜*运动学上许可的运动进行比较，來揭示真实运动所具冇的性质和规律。变分方法主要用于工业机器人动力学，有利于

7、结合控制系统的优化进行综合分析［2］。多柔体系统与多刚体系统的最大不同在于：多柔体系统也含有柔性部分，其变形不可忽略，逆运动学是不确定的。它是多刚体系统动力学、分析力学、结构动力学、连续介质力学学科发展交叉的必然结果。而且其研究与关于多刚体系统动力学的研究相比，还远没冇达到同等水平［:~。总的来说，多体系统动力学和传统的经典力学相比，主要具冇以下特点：(1)不受系统的拓扑结构影响，可以实现动力学模型的通用化；(2)针对刚柔藕合模型，可以给出一套简明而普遍适用的准则；(3)系统动力学方程表述形式为计算机S动建模提供了方便；(4)由于其通用性

8、，耍求建模时考虑的因素更多。现代火炮的自动化水平越来越高，结构也越来越复杂，采用多体系统动力学的分析方法进行全炮或分系统的动力学建模与仿真可以比较全面地描述火炮和各个分系统的动作过程，预测其动