电磁轨道发射系统动力学理论与设计方法研究进展

电磁轨道发射作为电磁发射技术的重要分支,具有发射速度高、射速可调节等显著优势,被誉为改变未来战争样式的颠覆性技术之一。目前,电磁轨道发射技术仍然面临射击精度低及装置寿命短等关键瓶颈问题,这些都与电磁轨道发射装置所涉及的复杂电、磁、热和力等多领域耦合发射动力学行为密切相关,然而国内外对极端冲击条件下电磁轨道发射装置的系统动力学分析尚缺少成熟理论方法和技术手段。针对上述情况,从动力学建模、性能预测、优化设计等方面综合阐述近期电磁轨道发射系统动力学理论与设计方法的国内外研究进展,总结相应的研究方向和需求。随着电磁轨道发射装置的工程化发展,电磁轨道发射系统的建模与仿真应考虑发射环境的全系统因素,建立电磁轨道发射装置和发射环境耦合的发射动力学性能快速预测和优化设计系统,详细阐明电磁轨道发射装置和发射环境多领域耦合振动机理等基础科学问题,为电磁轨道发射装置系统动力学的深入研究和相关装备研制提供支撑。

轴向冷气弹射系统建模及仿真分析

根据轴向冷发射需求,同时避免发射过程对发射平台内部空间的污染,设计了一种以高压氮气为弹射能源的轴向底推式冷弹发射装置。介绍了轴向冷弹发射系统的结构组成、工作原理以及设计要点,并运用理想气体状态方程、质量和能量守恒定律、气体动力学等设计理论与方法,建立了轴向底推式冷气弹射系统的高压室、低压室、阀口气体流动以及导弹运动的数学模型。为提高导弹发射时的分离速度,同时降低发射过载峰值,以建立的数学模型为基础,基于内弹道结构参数,采用VB语言编程,通过仿真计算和分析,研究了气瓶初始压强、气瓶容积、低压室初始容积、电磁阀通径、无阻尼自然频率、阻尼比及活塞(托盘)直径等弹射系统的主要结构参数对产品的分离速度和发射过载的影响,找出了各个结构参数变化对导弹分离参数的影响规律,并对影响规律的机理进行了分析。该研究为弹射系统结构参数的优化提供了理论依据,为同类型轴向冷弹发射装置内弹道设计提供了理论参考和依据。

基于数值模拟的蜂窝钢管约束混凝土靶抗侵彻机理

多孔蜂窝钢管约束混凝土靶具有良好的抗侵彻性能和拓展性能。基于ANSYS/LS-DYNA软件,采用FEM/CSCM-SPH/HJC耦合法,模拟了多孔蜂窝钢管约束混凝土靶抗硬芯枪弹侵彻过程,研究了蜂窝钢管约束混凝土靶的抗侵彻机理。结果表明:与单孔正六边形钢管约束混凝土靶和无约束混凝土靶相对比,蜂窝钢管约束混凝土优异的抗侵彻性能主要体现在隧道侵彻阶段,表现为限制弹丸头部附近混凝土的径向膨胀,增大侵彻阻力;对比单孔正六边形钢管约束混凝土靶,蜂窝钢管约束混凝土靶周边单元为钢管提供了支撑,限制了钢管壁的面外弯曲变形,强化了钢管的约束效应,即形成周边单元的附加约束作用;对比无约束混凝土靶,钢管的存在限制了蜂窝钢管约束混凝土靶被打击单元的径向膨胀,强化了被打击单元混凝土的围压效应,提高了混凝土的强度和变形性能,增大了弹丸的侵彻阻力,从而使其抗侵彻能力提高。因此,蜂窝钢管约束混凝土靶由于蜂窝钢管的侧向约束和周边单元的附加约束双重约束效应而体现出良好的抗侵彻性能。

基于极度梯度提升模型的火炮身管寿命预测

为提高火炮身管寿命预测的精度,将身管内径磨损量作为寿命预测指标,提出基于极度梯度提升(XGBoost)模型的火炮身管寿命预测算法。以火炮弹射数为输入,身管内径磨损量为输出,通过集成多个弱学习器反复训练来拟合前一个弱学习器预测值与实际值之间的残差,从而生成强学习器,并通过在损失函数后加入正则化项及采用剪枝技术降低模型过拟合的风险。基于某型火炮实测数据进行验证,结果表明:该模型不仅有效解决了火炮弹射量与身管内径磨损量之间的映射关系,且相比支持向量机、BP神经网络、灰色模型等现有算法显著提升了身管寿命预测精度。

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。

变外形滑翔制导炮弹的气动外形多目标优化

为提高滑翔制导炮弹在爬升段和滑翔段的气动弹道性能,实现大幅度增程的目的,基于尾翼变后掠变展长的形式对常规固定外形的滑翔制导炮弹进行变外形设计。采用Missile Datcom作为气动计算工具,以尾翼展长和后掠角作为变形参数,并调整舵翼的外形参数,基于NSGA-Ⅱ多目标优化算法对滑翔制导炮弹的爬升段(优化目标为弹丸的零升阻力系数和静稳定储备量)和滑翔段(优化目标为弹丸的升阻比和操纵比)分别进行了变外形多目标优化设计,最终获得各飞行段的最优外形方案。数值仿真结果表明:优化后的变外形方案可明显改善该滑翔制导炮弹各飞行段的气动弹道性能。在本文设定的飞行条件下,爬升段阻力系数降低了13.3%,滑翔段升阻比增大了36.1%,弹丸在整个飞行过程中稳定性适当,且稳定性和操纵性、舵偏角与平衡攻角匹配较好;相较于基准固定外形方案,滑翔控制条件下采用变外形方案的滑翔制导炮弹射程增加了8.4%,增程效果显著。本文工作为滑翔制导炮弹的变外形方案设计提供了参考。

基于单神经元PID水平炮控系统稳定控制

为保证坦克行进间炮塔始终处于稳定位置,针对系统齿隙进行非线性补偿。利用径向基函数(radical basis function,RBF)神经网络对炮塔水平方向调速系统进行系统辨识,同时采用齿隙死区模型代表齿隙环节,建立水平向的模拟炮控系统;提出一种单神经元PID控制器;模拟外界扰动,利用计算机对控制过程完成仿真。仿真结果表明:在给定条件下,考虑齿隙因素,炮塔水平向位置与稳定位置的误差始终足够小。

计及不等式约束的坦克炮稳定系统约束跟随控制

该文针对新一代轻量化坦克在高速行驶时的身管稳定问题,提出一种高精度控制策略。基于负载系统的动力学特性,建立含不确定性的坦克炮稳定系统受控状态空间方程;考虑射击门及稳定精度限制,构建系统状态的不等式约束,并完成受限状态转换;量化系统不确定性边界,结合约束跟随控制思想,开展系统不确定控制设计。研究表明,所提方法可综合处理坦克炮稳定系统的强非线性和复杂时变不确定性,实现系统稳定精度可控,为复杂机械系统的时变不确定性抑制和误差控制提供理论指导。

基于聚类关联规则神经网络组合算法的弹丸初速预测

针对靶场试验中利用初速雷达测试弹丸初速需要重构的情况,选择同时参试的两台雷达的数据进行融合建立神经网络模型,用一台雷达的数据预测出另一台雷达需要重构的数据。由于预测模型预测精度的高低取决于所建模型的好坏,而模型的好坏取决于样本数据的质量,先利用聚类分析和关联规则从大量历史试验数据中挖掘出优质的样本,再建立神经网络进行预测。实验结果表明,与支持向量回归机相比,由聚类分析关联规则神经网络构建的组合算法的预测精度更高,预测历史相似数据误差远小于1‰,预测与历史出入较大的数据的精度也较为理想。两种情况下的预测结果表明,组合算法既保证了预测精度又具有一定的鲁棒性,可以作为弹丸初速的预测模型。

二元信息挖掘多模型融合异常弹着靶速度预测

针对靶场试验中异常弹丸着靶速度无法准确测试的情况,为了提高异常弹丸着靶速度的预测精度,从弹丸着靶前后的雷达瀑布图中提取出RGB图像信息,由弹丸着靶前后的径向速度中挖掘出关键点的数字信息,实现对异常弹着靶速度的预测。首先把图像信息和数字信息等二元信息分别作为特征向量,对应的着靶速度实测值作为目标向量,利用训练数据分别建立支持向量回归机模型,挖掘着靶速度中的非线性特征,把测试数据带入所建模型预测出对应的着靶速度。同时利用训练数据建立GM(1,1)灰色模型,挖掘着靶速度中的线性特征并对着靶速度进行预测。其次将三个模型对训练数据的拟合值构建为特征向量,对应的着靶速度实测值作为目标向量,建立遗传算法优化LSSVM模型。最后将三个模型对测试数据的预测值代入建立好的遗传算法优化LSSVM模型中,得到了该模型预测出的着靶速度。实验结果表明,对比支持向量回归机、多元线性回归和随机森林,遗传算法优化LSSVM预测精度更高,误差远小于1‰,可以作为异常弹着靶速度的预测模型。

某车载炮校瞄精度超差分析与解决

针对某车载炮校瞄精度出现超差问题,通过故障树分析、分解复查相关零部件尺寸、尺寸链计算、计算紧固件拧紧力矩、仿真计算等多种手段,精准定位轴承间隙原因,耳轴装配预紧力为260 N·m时,超差问题得到解决;促使工艺流程及技术文件的更改,固化了技术状态,最终射击精度提高了2.78%,产品质量提升显著,确保产品保质保量交付客户,保证了后续客户试验的如期展开。

尾翼稳定弹近弹故障分析

以某坦克炮出现发射尾翼稳定杀伤爆破弹故障为背景,对可能引起该故障的因素进行了故障机理分析,通过计算得出了满足尾翼张开的最低膛压条件,建立了近弹故障树,并对故障树进行了定性分析,然后按照故障树对故障模式进行逐一的排查,对排查过程中尚不能确定的可能引起尾翼弹飞行故障的膛压不足的故障模式,用Matlab软件混合装药的膛压进行模拟仿真,验证了尾翼弹近弹的原因为混合装药配比不合适导致膛压不足。以初速和膛压为考察对象,用Matlab软件对混合装药条件下装药方案进行了优选设计,经试验验证,使用装药优选方案的杀伤爆破弹飞行正常。

基于改进FCE法的CAS打击目标毁伤评估

论文围绕近距空中支援这一特定作战样式,建立目标毁伤评估流程。以坦克目标为例,将坦克的进攻能力、机动能力和防御能力作为模糊评价的主要影响因素,将层次分析法和模糊综合评价法结合用于坦克目标毁伤效能评估,建立毁伤评估评价指标体系。最后通过近距空中支援典型作战场景实例分析,验证该方法有效性。

基于有限元的某型坦克炮身管模态分析

现代坦克炮往往通过增大膛压和加长身管来提高弹丸的初速和火炮的威力,但这些措施也使得坦克炮身管动力学性态发生变化,使其射击密集度超出可控的范围。因此,掌握坦克炮身管的振动特性并使其固有振动频率合理分布是坦克炮发射动力学研究的重要内容之一。本文在分析坦克炮身管振动对射击密集度的影响的基础上,建立了某型坦克炮身管的有限元分析模型,通过仿真计算得到了振动模态参数,验证了身管设计的合理性,为坦克炮身管的动力响应分析和进一步的结构优化设计提供理论参考依据。

装甲目标毁伤评估的等效靶方法

目标毁伤评估的基本方法之一是实验的方法。而总是依靠大量的原型实验进行评估是不可能。提出了利用等效实验的方法进行目标毁伤评估,并结合动能弹毁伤装甲目标这一典型弹靶系统,讨论了等效靶的概念、建立及应用问题。

电磁轨道炮导轨身管系统动力学分析

针对电磁轨道炮等新概念电磁发射系统发射动力学建模复杂、计算成本高等难题,考虑上下导轨非对称性影响,将上下导轨视为横向振动梁,身管视为在特定位置作用两弹性支撑的横向振动梁,导轨与身管间的相互作用视为连续分布弹簧,建立导轨身管系统三梁动力学模型。利用多体系统传递矩阵法推导系统各部分传递矩阵,组装系统总传递方程,求解系统任意位置在对应频率下的状态矢量。通过毕奥-萨伐尔定律解算导轨间及枢轨间的电磁力作用系数,分析导轨所受电磁力分布规律。利用模态叠加法求解系统静位移和在重力及时变电磁力作用下的动态响应,并与商业有限元软件计算结果比较,验证该方法的有效性和快速性。分析发现当电流较小时,系统在静变形位置附近波动,电流达到峰值平台后,上下导轨间距在“扩张-收缩”的过程中反复震荡;上导轨由于弹性支撑参数等非对称性因素的影响变形量更大,为电磁轨道炮耦合系统动力学分析提供理论支撑。

坦克炮控系统非线性建模与运动性能分析(Ⅰ)

炮控系统是坦克火力控制主线的末端,其性能直接影响到坦克火力的发挥。由于其内部存在齿圈间隙、弹性形变、摩擦力矩、参数摄动和外界扰动等不确定非线性因素,造成炮控系统出现稳态"牵移",驱动死区、延时与振荡、低速"爬行"和高速调炮"超回"等一系列问题,成为制约系统性能进一步提升的主要因素。通过分析炮控系统的结构和各种非线性因素及其规律特点,建立了炮控系统非线性数学模型;在此基础上,开展炮控系统运动性能的理论分析和试验研究,探讨了各种非线性因素对系统性能的影响,为炮控系统分析、设计与非线性补偿控制、进一步提高系统战技指标和充分发挥坦克火力性能提供理论依据和试验基础。

装甲底盘与火炮匹配性评价方法研究

提出了装甲底盘与火炮匹配性概念,运用专家综合评分法建立了匹配性评价体系,用装甲底盘与火炮匹配性分析软件对5种装甲底盘与火炮的组合系统进行了实例分析,以企引起同行专家进行讨论。

125mm坦克炮炮闩抽筒装置故障仿真分析

针对125 mm坦克炮炮闩抽筒装置的常见故障和失效模式,建立了125mm坦克炮炮闩抽筒装置上抽筒子的三维数字模型,并进行了动力学仿真;利用多体动力学仿真方法对抽筒装置的典型故障机理和易损部位的损坏程度进行了分析,得到了其损坏的原因和改良方法;为研究抽筒装置的故障机理提供理论依据,为探索、改进炮闩抽筒装置结构、提高其可靠性开辟了一条新的道路。

基于虚拟样机技术的某型坦克炮炮身模态分析

加长身管是坦克炮提高弹丸的初速和火炮威力的常用手段,但该措施也使得坦克炮炮身动态特性发生变化,若设计不合理将使其射击密集度超出可控的范围。因此,掌握坦克炮炮身的振动特性并使其固有振动频率合理分布是坦克炮发射动力学和动态设计研究的重要内容之一。在分析了坦克炮身管振动对射击密集度的影响的基础上,建立了某型加长身管坦克炮的有限元模型,通过仿真计算发现其模态参数和设计的不合理之处,对改进后的坦克炮身管进行了仿真分析,证明其达到了设计的要求,为坦克炮身管的动力响应分析和进一步的结构优化设计提供了理论参考依据。