某战车炮自动机关键技术研究

论文摘要

自动机技术是战车炮系统的关键技术之一。某新型战车炮系统采用了新型特种弹药及转膛技术,在提高射速、增大威力的同时,也带来了相应的技术问题,诸如自动机总体匹配问题及弹药的定位问题等。本文以“十一五”研究课题为背景,应用自动武器动力学、多体系统动力学、优化设计、概率分布、机械可靠性等理论对某战车炮自动机及其关键技术进行了深入的研究,为工程实际提供理论依据和决策参考。主要研究内容如下：（1）分析了新型战车炮自动机总体结构和工作原理,对供弹机构动作、击发动作等进行了运动学匹配分析,提出了新型自动机总体的关键技术为新型特种弹药的输弹定位技术。（2）通过分析卡弹定位机构中各构件的受力状况,利用自动武器动力学理论建立了卡弹定位机构在强制输弹阶段的全系统运动微分方程式,并以此为基础进行了数值模拟。方程式中各项具有清晰的意义,这为分析理解系统的动力学响应打下了理论基础。（3）利用多体系统动力学理论,在现代多体动力学软件平台上建立了基于第-类拉格朗日方程的输弹定位系统的导轨链式输弹机和卡弹定位机构虚拟动力学仿真模型。通过对这两个动力学仿真模型进行合并获得了输弹定位系统的动力学模型,并对模型进行了仿真分析。最后,通过对卡弹定位机构中关键构件的柔性化获得了刚柔耦合动力学模型,并就其仿真结果和多刚体动力学模型进行了比较,结果显示两者是基本一致的。动力学模型中的链节等效弹簧刚度和各构件之间的接触碰撞刚度通过有限元法获得,使得虚拟样机和真实的物理样机更加一致。（4）本文基于多学科集成优化平台,以缓冲簧、卡弹簧、挡弹簧的弹簧刚度和预变形量为设计变量,以正确卡弹定位为约束条件,对卡弹定位机构进行了以动力学匹配为目的的试验设计。通过匹配试验设计,获取了可行的设计变量向量,并获知弹药位移的概率密度图呈现3个“岛屿”状态。这种方法克服了以往传统手段无法对弹性元件多、接触碰撞复杂的机械系统进行动力学匹配设计。（5）为了降低卡弹爪、挡块与弹药之间的接触力,延长构件的使用寿命,以缓冲簧、卡弹簧、挡弹簧的弹簧作用力最小为目标函数,以3个弹簧的弹簧刚度和预变形量为设计变量,以正确卡弹定位为约束条件进行了多目标动力学匹配优化设计,获得了相应的弹簧刚度和预变形量值。在此基础上,考虑弹簧的设计问题,用分层优化的策略对卡弹定位机构弹簧设计参数进行了基于动力学匹配的多目标优化设计。第一层为全局层面上的,考虑正确卡弹定位的优化设计问题。第二层为局部层面上的,考虑弹簧的优化设计问题。这种分层优化策略既降低了各构件间较小的接触力,减少了设计变量,节约了设计时间,而且考虑了更多的设计因素具有更强的工程实用意义。（6）利用截尾分布基本理论,提出了常用的4种截尾分布密度函数、累积分布函数的一般表达式及相应截尾分布的期望和方差。在此基础上,根据各个截尾分布的累积分布函数推导了截尾分布随机变量随机数的抽样方法,并推广到一般典型分布随机数的抽样方法。截尾分布及其抽样方法的讨论为机构运动可靠性分析中设计变量的有效处理打下了基础。（7）讨论了精确分析方法（应力—强度干涉模型）、近似方法（均值一次二阶矩法、JC法）、数值模拟法（蒙特卡罗法）理论及其在机构可靠性分析中的应用。在精确分析方法中证明了截尾正态分布不具有叠加性。（8）针对卡弹定位机构这一多维、强非线性系统的机构运动可靠性问题,建立了可靠性准则,用数值模拟法分别以随机变量服从一般分布和截尾分布进行了机构运动可靠度分析。对两者结果进行了比较,结果显示计算运动可靠度时随机变量选择截尾分布比一般分布更加精确。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 多体系统动力学
• 1.2.2 优化设计
• 1.2.3 机构运动可靠性
• 1.2.4 概率分布及抽样技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 某战车炮自动机总体机构分析
• 2.1 引言
• 2.2 自动机总体结构及其工作原理
• 2.2.1 自动机总体结构及工作原理
• 2.2.2 供输弹机构的传动方式及路线
• 2.2.3 自动机的传动方式及路线
• 2.3 自动机运动学分析
• 2.3.1 供弹机构分析
• 2.3.2 输弹定位系统分析
• 2.3.3 击发机构分析
• 2.4 现场试验测试
• 2.5 本章小结
• 3 某战车炮输弹定位系统的动力学研究
• 3.1 引言
• 3.2 输弹定位系统的工作原理及特点
• 3.2.1 输弹定位系统的工作原理
• 3.2.2 输弹定位系统导轨链式输弹机的特点
• 3.2.3 输弹定位系统卡弹定位机构的特点
• 3.3 卡弹定位机构的运动微分方程式
• 3.3.1 卡弹定位机构条件假设及变量定义
• 3.3.2 卡弹定位机构各构件受力分析及微分方程式
• 3.3.3 卡弹定位机构系统微分方程式
• 3.3.4 卡弹定位机构的数值模拟
• 3.4 基于现代多体动力学软件的输弹定位系统动力学分析
• 3.4.1 导轨链式输弹机的动力学仿真及分析
• 3.4.2 卡弹定位机构的动力学仿真及分析
• 3.4.3 输弹机和卡弹定位机构的动力学仿真模型整合及计算
• 3.4.4 卡弹定位机构的刚柔耦合动力学分析
• 3.5 本章小节
• 4 卡弹定位机构的动力学优化设计研究
• 4.1 引言
• 4.2 现代多体动力学优化设计方法
• 4.2.1 多体动力学优化设计的基本问题
• 4.2.2 多体动力学优化方法
• 4.2.3 常用多学科集成优化软件
• 4.3 卡弹定位机构的动力学匹配设计
• 4.3.1 卡弹定位机构参数化动力学模型的建立
• 4.3.2 卡弹定位机构动力学匹配模型的建立
• 4.3.3 卡弹定位机构动力学匹配设计计算
• 4.4 卡弹定位机构的多目标动力学优化设计
• 4.4.1 卡弹定位机构的弹簧刚度优化设计
• 4.4.2 卡弹定位机构的弹簧设计参数优化设计
• 4.5 本章小结
• 5 基于截尾分布随机变量的卡弹定位机构运动可靠性研究
• 5.1 引言
• 5.2 常用连续分布的截尾分布及其抽样技术
• 5.2.1 截尾分布的基本理论
• 5.2.2 常用连续分布的截尾分布
• 5.2.3 常用分布的截尾分布抽样方法
• 5.3 机构运动可靠性分析方法
• 5.3.1 应力-强度干涉模型
• 5.3.2 机构运动可靠性的近似计算方法
• 5.3.3 蒙特卡罗数值模拟法
• 5.4 基于截尾分布的卡弹定位机构运动可靠度分析
• 5.4.1 卡弹定位机构的机构运动可靠性数学模型
• 5.4.2 影响卡弹定位机构可靠性的随机变量
• 5.4.3 卡弹定位机构运动可靠性准则的建立
• 5.4.4 基于蒙特卡罗法的卡弹定位机构运动可靠度计算
• 5.4.5 卡弹定位机构运动可靠度结果分析
• 5.5 本章小节
• 6 全文工作总结
• 6.1 概述
• 6.2 本文主要工作
• 6.3 创新点
• 6.4 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的文章