基于改进拟连续算法的回转弹仓位置控制

为提高大口径火炮自动装填过程中回转弹仓工作的精确性和鲁棒性,在分析现有拟连续算法相关研究内容的基础上,设计一种全新的改进拟连续控制器对回转弹仓进行位置控制。通过与滑模扰动观测器相结合,新控制器增益不依赖于系统扰动的不确定性边界,且不需引入额外的控制器参数,降低了控制器的设计和调试难度。通过Lyapunov方程验证控制器本身及闭环系统的稳定性。仿真和试验结果表明:新设计的控制器相对于已有拟连续算法具有优越性,在受到不确定时变负载和不确定参数扰动的情况下,新设计的改进控制器在应用于回转弹仓时,在趋近段可以获得更快的收敛速度,减小到位超调量,并在滑动段有效减弱抖振。

基于极值响应的某翻转输药机构运动精度非概率可靠性分析

翻转输药机构是弹药自动装填系统的重要组成部分,其运动精度可靠性对于确保发射药输送动作的顺利执行至关重要。现有的机构运动精度可靠性研究主要基于输入参数的概率模型,需要通过大量实验样本数据来确定参数的概率分布函数,这对于很多工程实际问题而言成本极高甚至无法实现。然而,将输入变量考虑成非概率区间模型在一定程度上可以规避上述难点,区间模型不要求输入变量,有详细的样本特征,只需要确定输入变量的不确定幅度或者界限,这相对于确定变量的概率分布较为容易。在此基础上,针对机构运动精度可靠性的评估提出了一种基于输入参数非概率区间模型的新型时变可靠性分析方法。该方法旨在机构完整运动时间区间内搜索输出响应区间域的局部极值时刻,并引入非概率可靠性指标来评估和分析局部极值时刻的瞬时运动精度可靠性,由此将时变可靠性问题转化为瞬时可靠性问题。将该方法应用于某翻转输药机构进行可靠性评估,结果表明所提出的非概率时变可靠性分析方法对机构运动精度可靠性分析具有一定指导意义。

基于变密度法考虑制造约束的摇架拓扑优化设计

摇架是火炮的重要组成结构,摇架减重对火炮轻量化研究具有重要意义。以某122 mm口径火炮摇架为研究对象,以合理降低其质量为研究目的,利用有限元软件对其进行强度校核并结合变密度法拓扑优化理论进行了优化设计。优化时考虑可制造性对优化添加了拔模约束和对称约束等条件,使优化后结构更加合理,利于制造。优化后摇架结构质量减少了12.87%,材料利用率更高,对重构模型进行有限元校核,结果显示该优化结构仍旧可靠。结合增材制造技术对摇架拓扑优化结构进行对比实验,实验证明该拓扑优化对原有结构刚强度影响较小,具有一定合理性。

基于热化学烧蚀模型的身管寿命等效折算系数研究

针对当前等效全装药(Equivalent Full Charge,EFC)折算系数的国家军用标准预测值与实际测试结果差距较大的问题,基于热-化学烧蚀模型,研究不同工况下射击发数与EFC射击发数间的折算系数计算方法。射击一定发数后,假设身管内壁白层厚度及成分随射击发数呈周期性变化,由质量扩散定律建立膛线起始部热-化学烧蚀量与火药燃气侵蚀性、内膛表面瞬态温度的关系。通过经典内弹道模型获得弹后空间火药燃气平均温度及内壁面强制对流换热系数,在考虑后效期高温燃气影响的基础上,建立身管内壁瞬态温度计算模型。以对内弹道过程有重要影响的射速、药量和药温为重点,计算不同射速、不同药号和不同药温下的身管内壁烧蚀量,并据此获得不同工况下的折算系数。研究发现,射速越快,装药质量越大,装药初始温度越高,单发射击造成的身管烧蚀越严重,其对应的EFC折算系数越大,其中强装药的EFC折算系数可达2.131。以某型155 mm火炮身管实弹射击数据为例,验证了新模型的合理性。

基于Bahdanau注意力机制的大口径火炮双向GRU轨迹预测

针对大口径火炮弹丸轨迹预测问题,提出一种基于Bahdanau注意力机制与双向门控循环单元网络的序列到序列轨迹预测模型(S2S ATT-BiGRU)。通过不同条件下六自由度弹丸运动模型仿真,得到大量弹丸轨迹数据样本,并利用滑动窗口法和差分法构造仿真数据集;将所提轨迹预测模型与GRU模型在仿真数据集下进行实验。研究结果表明,S2S ATT-BiGRU模型在输入时间为0.5 s预测未来时间为5 s的情况下,其MSE为13.89 m^(2),MAE为1.84 m, MAPE为0.29%,其预测精度远高于GRU模型。在其余情况下S2S ATT-BiGRU模型的预测结果均优于GRU模型。这表明S2S ATT-BiGRU模型具有更强的存储输入轨迹序列信息和自适应关注重要输入轨迹信息的能力,为弹丸轨迹预测研究提供有利参考。

基于摩擦补偿的链式弹仓自适应滑模控制

针对链式弹仓精确到位控制中出现抖振与收敛速度慢等问题,提出了一种基于摩擦补偿的自适应非线性滑模控制(ANLSMC)方法。该控制方法引入LuGre动态摩擦模型用于补偿弹仓模型,使得弹仓模型更加贴近于真实工作环境。将传统线性滑模函数改进为非线性滑模函数,与自适应算法相结合,提高了系统鲁棒性,加快收敛速度,有效削减抖振。根据仿真结果表明,提出的摩擦补偿的自适应非线性滑模控制(ANLSMC)方法使弹仓跟踪轨迹误差减小,相比于线性滑模自适应控制方法其有效削减抖振,具有较快的收敛速度。

基于速度环扩展卡尔曼滤波的无位置传感器电机控制

针对大负载摇臂机构,提出了一种基于速度环扩展卡尔曼滤波的无位置传感器电机控制方案。首先根据电机的电压方程,在全速度范围内使用凸优化方法来估计转子位置,该方法在低速情况下需要注入高频信号。针对低速重载情况下铁心饱和导致位置可观测性下降的问题,结合电机机械运动模型,使用扩展卡尔曼滤波算法,对基于凸优化的估计进行修正。此外由于EKF对参数较为敏感,使用离线最小二乘法辨识系统的惯量、阻尼和转矩常数,并将结果带入EKF中。经过EKF滤波之后,极大地提高了速度估计质量,尤其是在饱和发生时。最后对所提出的方法,进行了仿真研究,并在由表贴式永磁同步电机驱动的电机控制实验平台上进行了实验验证。

32CrNi3MoV厚壁钢管烧蚀影响层组织性能研究

通过X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、电子背散射衍射(electron back-scattered diffraction,EBSD)与显微硬度测试,研究32CrNi3MoV厚壁钢管烧蚀影响层组织性能演变特征。结果表明:烧蚀影响层沿半径向外可分为3层:厚度为2~3μm的奥氏体层、120μm的马氏体层及280μm的基体热影响区。3层之间有明显的平直界面。其中马氏体层又可细分为厚度为45μm的针状马氏体层和厚度为75μm的等轴马氏体层,两者间界面弯曲不明显,表现为一个过渡带。靠近奥氏体的针状马氏体层组织尺寸较大,硬度稍低;等轴状马氏体层硬度沿径向先增后减。在烧蚀影响相变层与原始基体组织间的基体受热回火软化,形成基体热影响层,其硬度沿径向逐渐增高,最终进入原始基体组织(回火索氏体)区,硬度也稳定在其平均水平。

某火炮药协调器多学科耦合模型参数辨识与可靠性分析

针对某火炮药协调器的动作可靠性分析问题,在考虑协调臂柔性和运动副间隙的条件下,建立参数化的药协调器刚柔耦合动力学模型和控制模型。基于随机惯性权重的粒子群算法,将一次协调运动中的区间不确定性参数视为定值,通过试验数据对系统参数进行辨识,验证了药协调器仿真模型的准确性。采用蒙特卡洛方法,分析了某火炮药协调器在两种满载工况下的可靠性。结果表明:协调角度30°和60°时的可靠度分别为99.8%和99.9%,总体失效概率较小,调姿轴转动副和电缸支座转动副的间隙大小分别对这两种工况下的动作可靠性影响较大。

基于组合优化方法的某型车载炮驾驶室轻量化分析

为了提高某型车载炮机动性,对车载炮驾驶室进行轻量化研究。为防止单一工况约束得到的尺寸优化结果在其他危险工况下不适用,同时使用冲击波最危险的两种工况的结构响应作为约束条件。为提高优化效率,使用拉丁超立方方法进行实验设计,分别对两种工况下驾驶室结构响应构建高精度代理模型。针对单一优化算法的缺点,采用组合优化方法,先使用多岛遗传算法缩小设计域范围,后使用非线性二次规划算法在缩小后的设计域寻优。结果表明,设计域缩小后,非线性二次规划算法不再陷入局部最优困境,且组合优化方法相比多岛遗传算法,计算代价大大降低。对优化结果进行验证,证明了优化的可行性。优化后驾驶室质量降低了8.06%,减重效果显著。

考虑空化效应的某软后坐火炮制退机液压阻力系数研究

针对某新型软后坐火炮制退机的恒定液压阻力系数无法准确描述制退机性能的问题,基于计算流体力学方法计算了火炮后坐复进不同阶段的液压阻力系数,其中重点考虑了空化效应对液体流动的影响。分别对前冲、后坐及复进阶段,建立了带有中心斜孔的筒内壁沟槽主流等效模型、不带中心斜孔的筒内壁沟槽主流等效模型及筒外壁沟槽主流等效模型。采用Mixture多相流模型与标准k-ε湍流模型,得到了不同沟槽深度及运动速度下液压阻力系数K的值。结果表明,液压阻力系数在前冲阶段为4.2~6.0、在后坐阶段为1.8~2.8、在复进阶段为1.6~2.4;且液压阻力系数随沟槽深度的增大而减小,随速度的增大先减小,达到发生空化的速度后增大。该研究可为某软后坐火炮的反后坐装置设计及试验测试提供支撑。

基于扰动观测器的传弹机械手自适应滑模控制

针对大口径火炮的传弹机械手旋转定位控制存在负载变化、摩擦因素和未建模动态等不确定性问题,该文提出一种基于扰动观测器的传弹机械手旋转定位自适应滑模控制策略。在控制策略中引入扰动观测器在线估计等效扰动力矩,其估计误差由滑模控制的切换项补偿;并采用一种新型增益自适应方法确保切换项增益不被过高估计,进而设计一类Lyapunov函数验证闭环系统的稳定性。实验结果表明,该控制策略对传弹机械手的负载变化具有较强的鲁棒性,可以满足大口径火炮传弹机械手快速精确的旋转定位要求。

某车载榴弹炮车身在炮口冲击波作用下动态响应分析

以炮口三维非定常冲击波流场的计算结果为结构的动态载荷,针对车身结构的一种极限射角状态,用有限单元法分析了结构的模态,用直接积分法分析了结构动态响应,得到了结构的应力、变形以及冲击破坏情况.计算结果与实验数据相吻合,结果显示车身结构整体设计合理,局部应给予加强,这些为结构的进一步改进提供了理论依据.

复合材料身管烧蚀与寿命问题的研究

借助膛内存在的包含气流对身管摩擦和传热的不稳定准一维流,以及复合材料身管管壁内的径向热传导关系,运用MacCormack有限差分格式,计算了武器连发时对流传热引起的复合材料身管膛壁的峰值温度和整个复合材料身管的温度场,并由此估算因热原因引起的复合材料身管的烧蚀量,从而进一步预测其寿命。并且结合了多个设计方案对复合材料身管的烧蚀和寿命预测进行了对比研究,为复合材料身管的综合设计提供了重要的参考价值。

弹丸高速挤进过程动态试验设计与分析

该文设计一种可反复使用的动态模拟弹丸挤进过程的机电实验装置,用于模拟弹丸高速挤进膛线的塑性变形过程,通过仿真分析试验装置中撞击体碰撞和推杆推动弹丸挤进膛线的过程,获得了推杆和弹丸的运动状态以及挤进动力和挤进阻力随时间的变化曲线。仿真计算发现,挤进最大阻力值与常用的经验挤进阻力值相差小于10%,表明该动态试验装置能有效模拟弹丸动态的挤进过程,所采用的仿真分析模型和参数选取合理,能为深入研究挤进规律提供有效试验手段和仿真方法。

树脂基复合材料身管热性能改良分析

该文根据复合材料细观力学模型,推导了树脂基复合材料填充金属粉末后的热导率、热膨胀系数的理论公式,从理论分析预测了金属粉末含量对复合材料身管热性能的影响,通过计算算例,检验证实了树脂基复合材料添加金属粉末后其导热性能有很大的提高,金属粉末体积分数为10%时,树脂基复合材料垂直于纤维方向热导率提高近3倍,复合材料身管的温度场能够得到很好改善。这些对复合材料身管的实际应用具有重要的参考价值。

复合材料身管数值传热分析

文中运用有限差分法建立了武器发射时复合材料身管传热模型,并结合多个设计方案对复合材料身管的温度场进行了数值分析,对于复合材料身管的综合设计提供了重要的参考价值。

金属内衬对复合材料身管热性能影响分析

采用金属内衬外部缠绕纤维增强复合材料,可以减轻纯金属身管质量,提高身管刚度。为了详细分析复合材料身管金属内衬对身管热性能影响,运用有限差分法建立了武器发射时复合材料身管瞬态数值传热模型,并结合多个设计方案编制通用程序对金属内衬影响复合材料身管热性能进行数值定量分析。结果表明金属内衬厚度对于复合材料身管的传热性能有很大的影响,内衬层越厚对提高复合材料身管热性能越有利,但影响减重,因此在复合材料身管的综合优化设计中必须有重点综合考虑。

复合材料身管膛内气流与固壁传热分析

为了给复合材料身管传热分析提供较为精确的边界条件,采用一维内弹道膛内流场模型,将弹后空间核心流部分考虑为包含气流与身管管壁发生摩擦和热交换的不稳定准一维流,得到身管内侧不稳定、非定常可压缩流的边界层方程。基于MacCormack有限差分方法求解该方程,得到的内弹道特征量与经典内弹道模型计算结果的相对误差在3%以内,同时结果显示瞬时气流速度对换热系数影响较大,因此在对复合材料身管传热分析时需采用气流温度和换热系数瞬时计算结果。

基于热效应的复合材料身管强度分析

为了分析火炮发射时高温高压火药气体瞬态冲击作用对复合材料身管的影响,对已设计的复合材料身管瞬态温度场和应力场采用有限元数值方法进行直接耦合分析,讨论复合材料身管在考虑温度变化情况下的应力分布,并对其强度进行校核。结果表明对复合材料身管强度进行分析时热应力和连发影响不可忽略,已设计加工的复合材料身管满足强度要求,为实验的可行性提供了理论计算依据,为复合材料身管的综合优化设计提供了参考。