某特种机械系统动力学仿真及优化

论文摘要

本文深入研究了国内外榴弹步枪的现状和发展趋势。为了实现榴弹步枪弹丸枪口高动能和低后坐的完美结合,在结构设计上提出了五种减后坐方案,其中,在榴弹枪上应用全枪枪身相对于枪托的缓冲技术,以及枪管和自动机的前冲击发技术是本文的创新点。本文以经典内弹道学,武器气体动力学以及多自由度刚体动力学为理论基础,建立了榴弹步枪三自由度系统的数学物理模型。在对气室参数进行解算时,建立了自动机运动与内弹道联立的微分方程组,通过数值解法,比较精确地得出了导气室气体运动相关参数曲线和自动机运动参数曲线。与使用勃拉文公式求解气室参数相比,这种方法要精确,且运用范围也要广,是本文的另一个创新点。在数学模型的基础上,开发了榴弹步枪动力学计算软件,该软件使用友好的人机交互式界面,可以方便地分析原始数据的改变对系统基本特性的影响。同时为了方便地研究结果曲线以及调试程序,对程序界面上进行了独到的设计。使用动力学计算软件对机构运动进行了仿真计算,并对计算结果进行了分析。本文给出了弹丸质量等七个参数单独变化对自动机运动的影响,为下一步的优化计算提供了理论依据。最后,以增加弹丸出膛口动能和减少后坐力为优化目标进行了多目标优化设计,给出了五组优化计算结果,对榴弹步枪的改进设计有一定的借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外现状
• 1.3 发展趋势
• 1.4 论文主要研究工作介绍
• 2 系统总体方案设计
• 2.1 榴弹步枪系统简述
• 2.1.1 军事需求与研究目的
• 2.1.2 总体设计思想
• 2.2 总体方案及自动原理简介
• 2.2.1 总体设计方案概述
• 2.2.2 自动机工作原理简介
• 2.3 减后坐力结构设计
• 2.3.1 枪管短后坐
• 2.3.2 前冲击发原理
• 2.3.3 自动机后坐到位的缓冲采用转换杠杆式
• 2.3.4 枪托簧设计
• 2.3.5 膛口制退装置
• 2.4 主要参数的设计
• 2.5 本章工作小结
• 3 动力学仿真建模
• 3.1 机械系统动力学研究
• 3.1.1 自动机运动规律
• 3.1.2 假设与简化
• 3.1.3 受力分析
• 3.1.4 牵连运动为平移时的加速度合成定理
• 3.1.5 闭锁开锁传动分析
• 3.1.6 运动过程中的碰撞分析
• 3.2 内弹道与气室压力计算
• 3.2.1 内弹道与气室计算参数与初值
• 3.2.2 内弹道及后效期膛内火药气体计算
• 3.2.3 导气室火药气体压力计算
• 4 仿真计算结果分析
• 4.1 仿真程序说明
• 4.1.1 程序简介
• 4.1.2 程序流程图
• 4.1.3 定步长四阶Runge-Kutta法简介
• 4.2 构件运动结果曲线的分析
• 4.2.1 单发时构件运动结果曲线及分析
• 4.2.2 连发时构件运动结果曲线及分析
• 4.3 参数变化对结果影响的分析
• 4.3.1 弹丸质量影响
• 4.3.2 装药量影响
• 4.3.3 气孔大小对气室压力影响
• 4.3.4 气孔位置对气室压力影响
• 4.3.5 活塞直径影响
• 4.3.6 气室初始容积影响
• 4.3.7 机框质量影响
• 4.4 本章工作小结
• 5 优化计算
• 5.1 优化设计方法概述
• 5.2 目标函数，设计变量和约束条件的确定
• 5.2.1 多目标优化设计
• 5.2.2 设计变量的确定
• 5.2.3 约束条件的确定
• 5.3 优化算法的选择
• 5.3.1 复合形法原理简介
• 5.3.2 复合形法计算步骤
• 5.4 优化结果
• 5.4.1 优化后的设计变量值
• 5.4.2 优化结果
• 6 试验
• 6.1 测试仪器设备
• 6.2 试验方法
• 6.3 试验台枪械安装
• 6.4 试验结果
• 6.5 测试曲线
• 6.6 根据标定曲线及测试数据得出的后坐力-时间曲线
• 6.7 结论和建议
• 结论
• 致谢
• 参考文献