大口径舰炮发射系统动态特性及振动优化研究

论文摘要

随着国防发展的需要,舰炮逐渐向着更大口径发展,这对大口径舰炮的射击精度和射击稳定性提出了更高标准的要求。舰炮的激励源具有高强度、瞬时冲击的特点,发射时的振动与冲击会使舰炮武器系统性能变差,如射击精度及射击稳定性的降低。因此,大口径舰炮装备固有质量特性设计存在的问题,成了舰炮发射系统研究的重点。本文针对上述需要解决的问题,首先对大口径舰炮的发射系统动力学问题进行了理论分析。根据大口径舰炮的实际物理结构,以发射系统各典型部件运动关系为变量,推导了大口径舰炮发射系统的运动学方程;在获得的发射系统运动学方程的基础上,采用虚功率原理推导系统的动力学方程;其次基于Timoshenko梁理论,在考虑梁截面剪切变形影响下,获得了柔性变截面Timoshenko梁的动力学模型,建立了身管刚柔耦合动力学模型;随后通过理论推导,获得了计及身管柔性以及约束关系的整炮刚柔耦合动力学方程。对大口径舰炮的典型部件进行了振动理论分析,探究了其振动特性。针对结构梁的振动数值分析方法进行了研究,然后对舰炮摇架和托架进行了理论化简,建立了简化振动理论模型,采用数值分析方法计算了舰炮典型部件的固有频率和模态振型;随后对模型施加实际激励载荷,并引入广义坐标,分析了摇架和托架的振动响应;采用Ansys软件对舰炮发射系统的摇架及托架进行模态分析,获得了摇架和托架的固有频率以及各固有频率对应的模态振型,验证了理论振动模型的正确性。在理论分析的基础上对含接触碰撞的发射系统进行了动力学仿真。按照简化原则建立了某型号舰炮发射系统的三维实体模型,并对发射系统各部件的连接关系、接触问题、以及激励载荷进行定义;采用Ansys对身管进行柔性化,并对身管末端与炮尾的刚-柔接触进行说明;运用Adams进行了刚柔耦合仿真,获得了舰炮发射系统炮身的运动特性及炮口位置两个方向的振动情况,并对各接触位置进行了接触力分析。以发射系统动力学仿真结果为基础,针对炮口振动的结构动力响应进行优化研究。首先建立舰炮发射系统参数化动力学有限元模型,利用最优拉丁超立方试验设计方法构建其克里格（Kriging）近似模型;选取多目标遗传优化算法中的NSGA-Ⅱ对构造的近似模型进行寻优,获得目标函数的Pareto前沿;在Pareto前沿中选取使得试验输出响应参数均有所改进的样本点,实现了对炮口振动优化匹配。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题研究背景和意义

1.2 国内外舰炮发射系统振动特性研究现状

1.3 相关领域研究现状

1.3.1 刚柔耦合动力学建模研究现状

1.3.2 柔性身管建模研究现状

1.3.3 发射动力学研究现状

1.3.4 结构优化设计研究现状

1.4 论文的主要内容

第2章大口径舰炮发射系统动态特性分析

2.1 引言

2.2 舰炮发射系统运动学分析

2.2.1 舰炮的发射机理

2.2.2 坐标系的建立

2.2.3 舰炮发射系统运动学方程

2.3 舰炮发射系统动力学分析

2.3.1 任意刚体动力学方程的建立

2.3.2 舰炮发射系统多刚体动力学方程

2.4 身管刚柔耦合动力学建模

2.4.1 身管动力学分析

2.4.2 身管动力学响应结果分析

2.5 舰炮发射系统刚柔耦合系统动力学方程

2.6 舰炮发射系统动力学响应分析

2.6.1 发射系统各部件瞬态响应

2.6.2 发射系统各部件动态响应

2.7 本章小结

第3章大口径舰炮发射系统典型部件振动特性分析

3.1 引言

3.2 发射系统典型部件自由振动分析

3.2.1 摇架振动数学模型

3.2.2 摇架振动数值仿真

3.2.3 托架振动数学模型

3.2.4 托架振动数值仿真

3.3 发射系统典型部件受迫振动分析

3.3.1 摇架振动响应分析

3.3.2 托架振动响应分析

3.4 发射系统典型部件有限元模态分析

3.4.1 摇架模态分析

3.4.2 托架模态分析

3.5 数值解与仿真解误差分析

3.6 本章小节

第4章大口径舰炮发射系统动力学仿真分析

4.1 引言

4.2 发射系统多刚体动力学模型的建立

4.2.1 发射系统三维建模

4.2.2 坐标系的建立

4.2.3 各零部件之间的约束关系

4.2.4 激励载荷建模

4.3 发射系统刚柔耦合动力学模型的建立

4.3.1 柔体构件建模方法

4.3.2 身管柔性化过程

4.4 发射系统刚柔耦合仿真结果分析

4.4.1 身管后坐复进分析

4.4.2 炮口振动响应分析

4.4.3 典型部位接触力分析

4.5 本章小结

第5章大口径舰炮发射系统多目标优化设计

5.1 引言

5.2 发射系统试验设计

5.2.1 DOE设计方法

5.2.2 试验因子及设计空间

5.2.3 试验样本的选择

5.2.4 输出响应的确定及试验执行

5.2.5 试验设计结果分析

5.3 发射系统近似模型的构建

5.3.1 近似模型技术

5.3.2 结构近似建模方法

5.3.3 舰炮结构Kriging模型

5.3.4 舰炮结构近似模型误差分析

5.4 基于近似模型的发射系统动态优化

5.4.1 多目标优化遗传算法

5.4.2 构建优化目标函数

5.4.3 优化结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 崔运山

导师: 富威

关键词: 发射系统,振动特性,运动学分析,动力学特性,多目标优化

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 力学,武器工业与军事技术,自动化技术

单位: 哈尔滨工程大学

基金: 海军十三五预先研究项目“某舰炮抗振性能优化与可靠性设计技术”

分类号: TJ391;O32;TP18

总页数: 103

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