火炮与自动武器系统动力学
火炮与自动武器系统动力学
第一章 概述 第二章 动力学基础 第三章 火炮与自动武器系统动力学 第四章 自动机动力学 第五章 火炮与自动武器动力学有限元方法 第六章 射击稳定性和射击密集度
第一章 概述
第一节 火炮与自动武器发射过程 第二节 火炮与自动武器动力学的分析方法
㈠多体系统动力学分析方法 ㈡有限元分析法
第五节 基于有限元的武器动态优化
㈠基于有限元分析的优化 ㈡自动武器的动态优化实例
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第六章 射击稳定性和射击密集度
第一节 射击稳定性
㈠火炮射击稳定性的概念 ㈡基于动力学仿真的射击稳定性分析方法
第二节 武器射击密度
㈠射击精度分析 ㈡基于弹炮耦合动力学模型的起始扰动分析
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第五节 基于ADAMS的火炮与自动武器系 统优化
㈠火炮与自动武器系统优化的一般过程 ㈡基于ADAMS的武器系统优化方法
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第四章 自动机动力学
第一节 经典自动机动力学理论
㈠机构运动微分方程 ㈡机构传速比 ㈢机构传动效率 ㈣撞击 ㈤机构运动微分方程的求解方法 ㈥典型武器自动机运动计算
第二节 浮动自动机动力学分析
㈠浮动自动机简介 ㈡浮动自动机运动微分方程 ㈢浮动自动机运动微分方程的求解 ㈣典型浮动自动机动力学计算实例
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第五章 火炮与自动武器动力学 有限元方法理 ㈡有限元基本单元 ㈢大型商用FEM通用软件分类 ㈣几种常用大型的FEM通用软件
第二节 有限元分析一般过程
㈠分析对象及简化模型
㈡建立几何模型 ㈢建立有限元分析模型（前处理） ㈣递交分析 ㈤评价分析后果（后处理）
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第三节 火炮动力学问题的有限元方法
㈠概述 ㈡建立火炮有限元模型 ㈢自行火炮的动态特性与响应计算
武器动力学仿真
第一章概述§1.1火炮与自动武器发射过程火炮是指利用火药在管形内膛燃烧形成燃气压力来发射弹丸的一种射击武器。
火炮的发射过程如下：弹丸与火药被装入具有一定仰角的炮管内，经击发，火药燃烧，瞬时产生大量高温、高压的燃气推动弹丸沿炮管运动，弹丸运动到炮口时获得巨大的动能而飞向目标；同时，火药燃气也推动炮管向弹丸行进的反方向运动。
发射过程所需要的时间很短，常以千分之几秒计，但是，组成发射过程的各环节却是严格按次序进行的。
炮弹被装入炮膛，弹丸的弹带与膛线的起始紧贴，药筒底缘抵住炮管后端面，并被炮闩牢固地闭锁。
发射的具体过程可以依次进行：击针击发→引燃底火药→点火药燃烧并传火→发射药燃烧→膛内燃气压力逐渐升高→弹丸的弹带嵌入膛线→燃气压力作功→弹丸运动至炮口处获得一定的速度→身管后座→炮管在复进机的作用下回复到发射前的位置→打开炮闩→抽出炮筒。
自动武器是指在一发弹射击之后能自动完成重新装填和发射下一发弹的全部动作的火炮和枪械。
自动武器是一种特殊的热力机械，它借助火药燃烧产生的高温、高压气体作功，推动弹头及其它动力装置，完成一定功能。
根据发射的自动化程度，自动武器有全自动、半自动之分。
能连续发射的为全自动武器，只能单发发射的为半自动武器。
按自动方式来分，自动武器可分为3类：（1）身管后坐式：利用发射时身管所获得的后坐运动能量进行工作的武器。
（2）导气式：利用身管侧孔导出的部分膛内火药燃气能量推动自动机原动件进行工作的武器。
（3）枪机后坐式：利用枪机的后坐能量进行工作的武器。
这种自动方式在火炮中已很少采用，在枪械中应用较多。
这里以某导气式自动武器为例，介绍自动机工作过程。
发射时，扣动扳机，弹头发射，当弹头通过身管上一侧孔后，部分高温高压火药气体从枪管侧孔排出，推动活塞、枪机框向后运动。
其分解动作如下：（1）击发：扣压扳机，击锤转动打击击针，击针打击底火。
（2）开锁：枪机框后退少许后，带动枪机转动；（3）后坐：枪机框带动枪机一起后退；（4）退壳：枪机后退时，抽出膛内弹壳，并抛出武器之外；（5）复进：枪机框后退时，压缩复进簧，然后在簧力作用下枪机框向前运动；（6）进弹：枪机在复进中推弹入膛；（7）闭锁：枪机复进到位后，枪机框迫使枪机转动重新与枪管联接；每发射一发枪弹，都要经过上述动作过程。
火炮与自动武器
（2） 进行火炮与自动武器多体系统动力学建模和仿真，全面预测发射 过程中武器系统的动力学特性，预测各构件承受的载荷，为评价武器工
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牛顿-欧拉法为矢量力学方法。牛顿-欧拉法中要求对每个刚体列写动 力学方程，由于铰约束力的存在，使得动力学方程中含有大量的、不 需要的未知变量，所以采用牛顿-欧拉方法，必须制定出便于计算机识 别的刚体联系情况和约束形式的程式化方法，并自动消除约束反力
拉格朗日方程法是分析力学的一种方法，是关于约束力学系统的动力 学方程。它有两种形式：一种是第一类拉格朗日方程，用直角坐标表 示的带有不定乘子的微分方程，既适用于完整系统，也适用于线性非 完整系统；另一种是第二类拉格朗日方程，用广义坐标表示的微分方 程，只适用于完整系统。
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二 、有限元分析方法
已经发展的数值分析方法可以分为两大类。一类以有限差分法为代表。 其特点是直接求解基本方程和相应定解条件的近似解。
另一类数值分析方法是有限元法，有限元法把一个连续体系统离散成 有限个单元，每个单元采用近似函数表示，采用“有限个单元”组成 的系统来近似连续体系统。
有限元法的一般求解步骤如下：第一步将连续体简化为由有限个单元 组成的离散化模型；第二步对离散化模型求出数值解答。
（1） 物理概念清晰。 （2） 灵活性与通用性。
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第三节 火炮与自动武器动力学的应用范围
火炮与自动武器动力学是火炮与自动武器专业方向的主干课程，是当前 培养合格的火炮与自动武器专业技术人才过程中不可缺少的重要环节之
炮弹及导弹自空气动力学问题研究
炮弹及导弹自空气动力学问题研究炮弹和导弹自空气动力学问题是现代军事科学中的重要课题。
理解和研究这些问题对于提高武器系统的性能和效果至关重要。
本文将讨论炮弹和导弹自空气动力学问题的研究现状和重要性。
一、引言炮弹和导弹作为先进武器系统的重要组成部分，其在飞行过程中的动力学特性对于实现准确命中目标至关重要。
空气动力学是研究物体在气流中运动的学科，包括了气动力、飞行稳定性和控制等方面的内容。
了解炮弹和导弹自空气动力学问题，可以帮助我们设计更加高效、稳定和精准的武器系统。
二、炮弹的空气动力学问题炮弹是一种由火药推动的实体弹体，其在飞行过程中存在许多空气动力学问题。
首先，炮弹在飞行过程中会受到空气动力学力的影响，如气动阻力和升力等。
这些力的大小和方向会影响炮弹的飞行轨迹和稳定性。
其次，炮弹的控制装置也需要考虑空气动力学因素，以保证炮弹能够按照预定的轨迹飞行。
此外，炮弹的外形和气动特性也需要进行优化设计，以降低阻力和提高飞行的稳定性。
三、导弹的空气动力学问题相比于炮弹，导弹具有更复杂的空气动力学问题。
首先，导弹往往采用了可变推力系统，可以实现飞行速度和飞行高度的调整。
这就需要研究导弹在不同速度和高度下的气动力和气动特性。
其次，导弹在飞行过程中需要采用制导系统来实现精确命中目标。
这就需要考虑导弹的控制能力和飞行稳定性。
此外，由于导弹的速度较高，还需要研究超音速飞行的气动特性和阻力控制等问题。
四、研究现状目前，炮弹和导弹自空气动力学问题的研究已经取得了很多进展。
通过实验和仿真模拟，研究人员可以获得炮弹和导弹在不同飞行状态下的气动力数据，进而优化设计参数。
同时，基于数值计算方法的发展，研究人员可以对炮弹和导弹的气动特性进行精确分析和预测。
然而，炮弹和导弹自空气动力学问题的研究仍然存在一些挑战。
首先，由于炮弹和导弹的外形和气动特性较为复杂，涉及到多种物理现象，因此研究工作需要综合考虑多个因素。
其次，炮弹和导弹的飞行环境和条件也具有一定的不确定性，如风速和风向的变化等，这也增加了研究工作的难度。
火炮与自动武器原理简明教程
2. 2 炮身受力
火炮在发射时, 高压火药气体将弹丸推向前方, 同时使炮身作后坐运动。发射 对炮身的作用可描述为径向、轴向和切向三个方向的力或力矩。径向作用力 主要由身管承受, 而轴向合力和切向力矩则通过反后坐装置、摇架等传递到 炮架上。
膛内火药气体压力是身管所承受的径向作用力的主要因素。分析身管的强度 或是计算身管允许的压坑深度等问题, 首先要得到身管各截面在各种射击条 件下所可能承受的最大膛压的变化规律, 即身管设计压力曲线。
2. 理论强度曲线
由身管设计压力曲线中各截面的压力值, 乘以对应截面的身管安全系数, 即得 到身管理论强度曲线。
身管的材料
根据火炮性能、身管寿命以及工艺性等方面的要求, 身管的材料应满足下列要求:
1. 具有足够的强度, 发射时身管内表面不应产生塑性变形。材料强度的示性数通常 炮钢是以比例极限来衡量的;
火炮的分类方法有多种。按用途, 分为地面压制火炮(地炮)、高射炮(高炮)、 反坦克炮、坦克炮、航炮、舰炮、岸炮。其中地面压制火炮包括加农炮、榴 弹炮、加农榴弹炮(加榴炮)、迫击炮、迫榴炮和火箭炮等。
按照弹道特性, 分为加农炮、榴弹炮、加榴炮、迫击炮和迫榴炮。 按运动方式, 分为固定炮、牵引炮、自行炮、驭载炮、铁道炮。 按口径大小, 分为大、中、小口径火炮。 按身管内有无膛线, 分为线膛炮和滑膛炮。 按身管个数, 分为单管、双管和多管火炮。 按装填方式, 分为后装炮和前装炮。
为了简化问题, 在讨论单筒身管强度时, 作以下补充假设:
(1) 单筒身管任一横截面是一个内径为r1、外径为r2 的厚壁圆筒;
(2) 身管外表面压力为零;
(3) 忽略身管的轴向力作用。
单筒身管理论强度和实际强度
1. 安全系数
自行火炮结构动力学分析及优化设计研究的开题报告
自行火炮结构动力学分析及优化设计研究的开题报告一、选题背景随着现代战争的迅速发展，自行火炮已经成为重要的战斗装备之一。
自行火炮的性能直接关系到火力打击的效果。
因此，自行火炮的结构与动力学研究成为一个重要的方向。
其中结构动力学分析和优化设计技术是自行火炮研究中的一个重要环节，也是厂家和研究工作者需要认真研究的内容。
二、课题研究目的本文选题的目的是：通过对自行火炮结构动力学的分析，可以发现其所存在的问题，对其进行改进和优化设计。
研究内容主要包括：对自行火炮结构动力学特性的分析，对其结构的计算和仿真，对结构参数进行优化设计。
三、研究方法和步骤1. 研究方法（1）理论分析法：通过结合自行火炮的机械工程学理论，对自行火炮的结构和动力学特性进行理论分析，研究其影响因素和内在关系。
（2）计算机辅助设计软件：通过借助计算机辅助设计软件，可以更加有效的模拟和分析自行火炮结构的特点，对其结构参数进行计算和优化设计。
2. 研究步骤（1）首先进行自行火炮的结构分析，对其所承受的荷载进行测量和计算，了解其结构的特点和存在的问题。
（2）进行结构动力学分析，利用有限元法、振动分析等方法对其结构动力学特性进行分析和仿真，发现结构的弱点。
（3）根据研究分析结果，对自行火炮的结构进行优化设计，减少其存在的弱点，增强其结构的承载能力和稳定性。
四、研究内容本项目的研究内容主要包括以下几个方面：（1）自行火炮结构的分析：对其结构进行分析，观察其结构特点和重要零部件。
（2）结构动力学分析：利用有限元法和振动分析等方法对其动力学特性进行分析和仿真。
（3）结构参数优化设计：根据研究分析结果，对自行火炮的结构参数进行优化设计，减少其存在的短板，增强其结构的承载能力和稳定性。
五、研究意义本项目的研究意义主要体现在以下几个方面：（1）为自行火炮的研发提供了一定的理论基础和技术支持，增强了其进一步的研究发展力度。
（2）发现和解决了结构存在的弱点和问题，增强了自行火炮的使用寿命和战斗能力。
火炮、自动武器与弹药工程专业毕业论文[精品论文]无链供弹输弹导引结..
![火炮、自动武器与弹药工程专业毕业论文[精品论文]无链供弹输弹导引结..](https://img.taocdn.com/s3/m/fc4265a9c67da26925c52cc58bd63186bceb92ca.png)
火炮、自动武器与弹药工程专业毕业论文 [精品论文] 无链供弹输弹导引结构与特性分析关键词：火炮自动机无链供弹系统传输装置动力学仿真摘要：本论文根据某在研国家项目要求，选择持续供弹的新型外能源自动机无链供弹系统中的输弹导引为主要研究对象，对其进行动力学、结构强度方面的研究。
该输弹导引实质为一空间高速传输装置，作用是将炮弹出弹箱口经该装置传输给自动机，以保证火炮自动机的连续射击。
随着现代火炮自动机射速的不断提高，对供弹传输机构的要求也日益增强。
而供弹机构的结构和形式，在很大程度上决定了整个自动机结构的复杂程度和可靠性，并直接影响到自动机的发射速度。
所以供弹传输装置的设计是无链供弹系统设计中最重要的部分之一，也是本篇论文的主要研究内容。
论文结合课题研究和实际项目的需要，主要有以下几个方面的研究： 1）供弹机构总体方案设计包括供弹方式的选择、自动机供弹线路设计和传动方案的确定； 2）供弹机构结构设计包括运动规律的选取、结构形状的确定、结构尺寸的确定。
运用CAD建模软件建立主要部件的三维模型并按指标要求进行相应的有限元强度分析； 3）根据设计的机构及其工作环境和条件，运用自动机动力学理论建立供弹系统传输机构的数学模型，进行动力学仿真分析。
分析结果表明，本文提出的方案在原理上是可行的，对供弹系统输弹导引的进一步研究具有一定的参考价值。
正文内容本论文根据某在研国家项目要求，选择持续供弹的新型外能源自动机无链供弹系统中的输弹导引为主要研究对象，对其进行动力学、结构强度方面的研究。
该输弹导引实质为一空间高速传输装置，作用是将炮弹出弹箱口经该装置传输给自动机，以保证火炮自动机的连续射击。
随着现代火炮自动机射速的不断提高，对供弹传输机构的要求也日益增强。
而供弹机构的结构和形式，在很大程度上决定了整个自动机结构的复杂程度和可靠性，并直接影响到自动机的发射速度。
所以供弹传输装置的设计是无链供弹系统设计中最重要的部分之一，也是本篇论文的主要研究内容。
武器系统动力学及仿真
nP
00 左右
00 ~ 50
50 ~ 1。一般取后座行程 x 为横坐标，以稳定界 RnP 为 纵坐标。
RnP
x
膛内时期
后效时期
图 6 -3
稳定界曲线
由（ 6.3）式可知， P KH e 对稳定界有影响。当 e 为正值时， P KH e 使 RnP 减小；当 e 为 负值时， PKH e 使 R nP 增大；当 e= 0 时， RnP 为一直线。
P KH e 是翻倒力矩的一部分，减小 PKH e 对火炮稳定性有利。减小 PKH 是有限的，相反 随着火炮威力的提高, PKH 还要增大。 要减小 P KH e 只有在结构上尽量减小 e， 甚至使 e 0。
Rh 是翻倒力矩的主要部分，减小 Rh 对改善火炮稳定性非常有利。其中 h 的大小，对稳 定性影响很大。而 h 是射角 和火线高 H 的函数 （见图 6- 1） 。
259
发射条件下武器的动态移动量和跳动量，评估武器射击稳定性，分析基本流程见图 6 -4。
开始
武器总体参数
发射条件
武器发射动力学仿真
输出动态移动量和跳动量 否 是否合理？ 是 结束
图 6 -4 武器射击稳定性分析基本流程
其中， “武器发射动力学仿真”既可以采用第三章所述的基于多体动力学的仿真模型， 也可以采用第五章所述的基于有限元的动力学仿真模型，而基于多体动力学的仿真模型简 单，计算量小，适合于武器大位移运动仿真，更适合于进行射击稳定性分析。采用基于动力 学仿真的射击稳定性分析方法可在设计的图纸阶段全面评价射击稳定性， 优化总体结构，是 现代武器研制过程中值得采用的方法。
二、准确度误差源
武器系统中的新型动力技术应用研究
武器系统中的新型动力技术应用研究在当今的军事领域，武器系统的不断发展和创新是维护国家安全和战略平衡的关键。
而在这一进程中，新型动力技术的应用正逐渐成为推动武器性能提升的重要力量。
新型动力技术为武器系统带来了诸多变革。
以电磁轨道炮为例，它利用电磁力来加速弹丸，突破了传统化学能火炮的速度和射程限制。
电磁轨道炮的动力来源是强大的电磁场，通过瞬间释放巨大的电能，将弹丸以极高的速度发射出去。
这种新型动力技术使得炮弹的初速大幅提高，射程更远，打击精度和威力也显著增强。
在导弹领域，冲压发动机技术的应用也取得了重要突破。
冲压发动机不需要携带氧化剂，而是直接利用空气中的氧气进行燃烧，这大大减轻了导弹的重量，增加了有效载荷和射程。
与传统的火箭发动机相比，冲压发动机在高速飞行时具有更高的效率，能够使导弹实现更快的速度和更远的打击距离。
此外，激光武器系统中的新型动力技术同样引人关注。
激光武器依靠强大的电能供应来产生高能激光束，对目标进行精确打击。
其反应速度极快，可以在瞬间击中目标，并且具有高精度和低附带损伤的特点。
为了支持激光武器的持续作战，新型的能源存储和转换技术不断涌现，例如高效的电池技术和超级电容器技术，它们能够在短时间内提供大量的电能，确保激光武器的有效输出。
在航空武器领域，高超音速飞行器所采用的超燃冲压发动机技术是新型动力技术的一个重要应用方向。
超燃冲压发动机能够在高超音速飞行条件下实现高效燃烧，使飞行器具备极快的速度和出色的突防能力。
这一技术的应用使得武器系统能够在短时间内对远距离目标进行快速打击，极大地改变了战争的格局和作战方式。
新型动力技术的应用也给武器系统的设计和制造带来了新的挑战。
首先是能源供应问题。
许多新型动力技术需要大量的电能或其他形式的高能量输入，如何在有限的空间内实现高效的能源存储和供应是一个关键难题。
其次，新型动力技术往往对材料和制造工艺提出了更高的要求。
例如，电磁轨道炮中的轨道需要承受极高的电流和强大的电磁力，这就需要开发出具有特殊性能的高强度、高导电材料。
火炮自动机动力学仿真研究
火炮自动机动力学仿真的研究摘要：简要阐述了火炮自动机工作过程中的动力学特点，介绍了多体系统动力学发展历程以及现状以及火炮自动机动力学仿真的基本思路，为火炮自动机的优化设计提供了理论依据。
关键词：火炮自动机；多体系统动力学；仿真1火炮自动机火炮自动机工作过程具有显著动态特性。
火炮自动机的受力所示复杂的，有随时间变化的带脉冲性质的火药燃气压力和由零件间撞击产生的冲击力。
火炮自动机的运动也是复杂的，在一个射击循环内，各机构工作时机不同；有些构件在启动、停止或改变运动方向时，与基础构件发生剧烈碰撞。
复杂机构在复杂受力状态下的高速运动和撞击，这就是自动机动力学的特点。
自动机动力学主要研究自动机在不同工作阶段，在不同性质的力的作用下的运动规律，计算自动机的设计循环时间和武器的射击频率，判断自动机在各工作阶段的运动学动态特性。
火炮自动机各机构的运动时非稳定的、断续的，并且还具有前述其他特点，因而，在普通机械原理中所用的机械动力学的分析方法，很难直接用来解决火炮自动机各机构的动力学分析问题。
因此，研究和发展火炮自动机各机构分析和综合的方法，特别是动力学分析的方法，仍然是目前迫切需要完成的一项任务。
2多体系统动力学多体系统是指由多个发生相对运动的运动通过运动副连接以实现规定功能的复杂机械系统⑴。
它是于上世界60年代开始在经典力学基础上发展起来并成为新的力学分支，即为研究多体运动规律的科学。
已知武器系统中各个构件的质量属性、集合外形、连接关系以及作用在各个构件上的主动力，求系统中各构件的运动诸元（位移、速度、加速度），从而获取系统的运动规律，以便于研究武器系统及其工作性能，诸如发射响应、刚强度、可靠性等。
这就是多体系统动力学方法在武器系统动力学中的应用。
多体系统动力学分为多刚体系统动力学、多柔体系统动力学、刚耦合系统动力学。
20世纪六、七十年代，美、德、苏的科学家先后提出了各自的方法以解决复杂机械系统动力学问题，形成了将古典的刚体力学、分析力学与现代计算机技术相结合的力学分支-多刚体系统动力学。
南京理工大学武器系统动力学第二讲武器系统动力学的作用和地位
4）从下图可以看出，全炮的外力等效为：
力：
Ppt
Q0
d2x dt 2
力矩： Ppt e
后坐方程
d2x Q0 dt2 Ppt R
R
Ppt
Q0
d2x dt 2
C
Ppt e
R
e
结论：火炮所受的外力可以等效为：一个作用在后坐 部分质心处的力，其大小等于后坐阻力，平行于后坐 方向（与实际的后坐阻力方向正好相反）；一个力矩， 大小等于Ppte ，若质心在炮膛轴线上方，则力矩沿逆 时针方向（使炮口下压的趋势），反之则力矩沿顺时 针方向（使炮口上抬的趋势）。
(8)
应用：在设计高低齿弧以及高低机主齿轮时，通常根据（８）式确定FU 的
最大值，根据最大载荷进行结构设计。
思考：如何确定 FU 的最大值？
FU 除了随后坐位移 x变化外，还与高低射角 有关（？），因此为了确定
FU 的找随最出后大其坐值中位，最移需大变要的化计值的算。值不在，同实然高际后低应从射用中角中找以只出及需最不计大同算的后零值坐度位射移角时和的最大F射U角值时，的然F后U
2
x2
K2
2
A3fj 2
min
x2
K , K1, K2 液压阻力系数 A0 驻退机活塞有效工作面积
Ap 驻退机节制环孔面积 ax 流液孔工作面积 a0 活塞与驻退筒环形间隙面积 Afj 复进节制器面积 min 驻退机支流最小面积
驻退液密度
支流液压阻力
后坐时活门让开通道 复进时活门堵住通道
N1
Ppt e
Qc Q0g cos
l f (b1 b2 )
火炮的动力系统和弹道学
火炮的动力系统和弹道学火炮作为一种重要的军事装备，其动力系统和弹道学是火炮发挥作用的关键要素。
本文将深入探讨火炮的动力系统和弹道学的相关知识，分析其技术原理和应用。
一、火炮的动力系统火炮的动力系统是指火炮发射弹药所需的能量来源，通常包括火药、气体压力和电力等形式。
不同类型的火炮采用的动力系统有所不同。
1. 火炮动力系统的分类根据动力系统的不同，可以将火炮分为以下几类：（1）火药推进系统：火药是最常见的火炮动力系统，通过燃烧产生高温高压气体，将弹药推动出膛。
火药动力系统主要包括火药药筒、推进药和点火装置等。
（2）气压推进系统：气体动力系统是一种利用气体压力推动弹药的动力系统。
通常采用压缩气体或者高压气体产生的气体能量，通过气压推动弹药。
（3）电磁推进系统：电磁动力系统是一种使用电磁原理推动弹药的动力系统。
通过电磁场产生的磁力，推动弹药脱离膛口。
2. 火炮动力系统的技术原理（1）火药推进系统：火药是一种爆炸性化学物质，其燃烧产生大量气体，气体的快速膨胀推动弹药离开火炮。
点火装置通过引燃火药，使火药快速燃烧产生高温高压气体。
（2）气压推进系统：气压推进系统通常使用高压气体或者压缩空气作为动力源。
通过特定的气体压力装置，将气体推入弹药膛室，从而推动弹药发射。
（3）电磁推进系统：电磁推进系统利用电磁感应原理，通过电磁力推动弹药。
通过通电产生强磁场，使弹药中的电磁感应材料产生电流，并受到磁力推动。
二、火炮的弹道学弹道学是研究弹道、抛射物运动和配弹问题的学科。
火炮的弹道学主要包括弹道轨迹、射程和打击精度等内容。
1. 弹道轨迹弹道轨迹是指火炮发射弹药时弹道物体的运动路径。
常见的弹道轨迹有抛物线轨迹、直线轨迹和曲线轨迹等。
弹道轨迹受到多种因素的影响，包括发射角度、发射速度、空气阻力等。
2. 射程射程是指火炮发射弹药达到的最远距离。
射程受到火炮的技术性能和弹药参数的影响。
火炮的射程通常包括最大射程和有效射程两个指标。
火炮与自动武器动力学
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图1 常用单元
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图5-2 弹簧元 图5-3 集中质量单元
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图5-4 杆单元
图5-5 梁单元
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图5-6 面单元
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图5-7 体单元
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5.1.3 大型商用FEM通用软件分类
有限元分析（FEA）和计算机辅助工程（CAE）软件主要有以下几大类：
（1） 结构分析用前后处理器。 （2） 设计工程师用CAE分析软件 （3） 隐式线性和非线性结构分析软件。 （4） 显式非线性结构分析软件。
第5章 火炮与自动武器动力学 有限元方法
Hale Waihona Puke 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
有限元法基本理论 有限元分析一般过程 火炮动力学问题的有限元方法 机枪发射动力学问题的有限元方法 基于有限元的武器动态优化
第一节 有限元法基本理论
5.1.1 动力学问题的有限元法基本原理
三维弹性体动力学基本方程
平衡方程 几何方程 物理方程 边界条件
（5－1） （5－2） （5－3） （5－4）
（5－5）
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以三维实体为例，有限元处理弹性体动力学问题的基本步骤如下 （1） 结构离散化。 （2） 构造插值函数。 （3） 形成动力学方程。 （4） 求解方程。振型叠加法、逐步积分法 （5） 计算系统的应力、应变与响应。
5.1.2 有限元基本单元
在实用化的几何造型系统中，为了克服某种模型的局限，常统 一使用线框、表面和实体三种模型的表示方法。
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5.3.2
可见要想真实精确的进行火炮发射动力学仿真，实体造型是必不可少 (1） 为动力学分析提供部件以及全炮的质量、质心位置和转动惯量 （2） 通过在实体模型上划分有限元网格，可极大地简化有限元建模 （3）
火炮发射动力学概论第1讲-2010剖析讲解
（1）研究水平
建立了比较完整的火炮和弹丸运动方程，编制了比较完 善、比较实用的计算机程序。研制了一批测量火炮运动和弹丸 膛内运动的试验设备。用先进技术和设备测得的试验结果与理 论分析结果进行比较，进一步改善理论模型，使之更符合实际。
（2）处理的问题
所考虑的因素大幅增多，如弹丸的动不平衡、轴向及横 向惯性力、炮口静下垂与炮身局部弯曲、弹丸的碰撞与弹回效 应、火炮各种类型的振动、不平衡后坐质量、布尔登效应等。
第一章 绪论
• 火炮发射动力学研究的目的和意义 • 火炮发射动力学的发展阶段及其特点 • 火炮发射动力学模型与计算机程序 • 火炮发射动力学与虚拟样机技术
1.1 火炮发射动力学研究的目的和意义
1.1.1 火炮射击精度 1.1.2 火炮发射时的稳定性和安全性 1.1.3 火炮总体参量优化与匹配
1.1.1 火炮射击精度
主要考虑弹炮间隙、膛压、弹重、弹炮摩擦、弹丸质量偏 心、弹带力矩等因素。建立的力学模型将火炮和弹丸分开考虑 的，即把弹丸当作质点处理或者假设弹丸运动条件已知来研究 火炮运动，或者假定火炮运动已知来研究弹丸运动，没有考虑 弹丸和火炮的相互耦合相互影响。
（2）处理的问题
在试验设备与计算技术方面，主要是考虑火炮振动的测试、 计算技术和方法。火炮科技人员用大量的事实证明，在火炮设 计时仅仅进行静态分析和计算，或者单纯地考虑某一部件的振 动是远远不够的。
1.1.2 火炮发射时的稳定性和安全性
减轻火炮重量，提高火炮机 动性，保证火炮发射时的安全性 和可靠性是火炮发射动力学研究 的另一重要目的。通过求解火炮 动力学方程组获得火炮主要零部 件的受力，如后坐阻力，摇架耳 轴受力，履带张力等动力谱，为 火炮零部件的结构分析和强度设 计提供了可靠的动力谱，为减轻 火炮重量和提高火炮机动性、保 证火炮的安全性和可靠性提供了 理论依据。
火炮多体系统动力学分析的一种方法
火炮多体系统动力学分析的一种方法
敖勇;陈运生
【期刊名称】《弹道学报》
【年(卷),期】1997(009)004
【摘要】运用Ｋａｎｅ方法、有限元法及振动模态理论提出一种柔性多体动力学
分析方法，推导出一组由系统刚体广义坐标和模态坐标表示的低阶多体动力学方程。
其推导过程简捷，方程形式简单便于编程序计算。
可有效地应用于自行火炮多体系统动力学及射击精度分析。
【总页数】4页(P19-22)
【作者】敖勇;陈运生
【作者单位】南京理工大学机械学院;南京理工大学机械学院
【正文语种】中文
【中图分类】TJ301
【相关文献】
1.一种基于响应面法的火炮身管设计参数灵敏度分析计算方法 [J], 李强;郭云健;李鹏辉;武云飞
2.一种轮式自行火炮水上射击动力学分析的方法 [J], 潘玉田;谌勇;郭保全
3.火炮自动机平动凸轮机构的一种多体系统运动分析方法 [J], 王宝元;梁世瑞;周发明
4.自行火炮行进间刚柔耦合多体系统动力学分析 [J], 谢润;杨国来;徐龙辉
5.多体火炮系统的固有振动特性-多体系统动力学的传递矩阵法 [J], 芮莜亭;邱风昌
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坦克底盘-火炮系统动力学建模及火炮振动特性分析
够在炮控系统有效 的俯仰角度范 围内准确 描述 坦克底 盘对 火炮俯仰 角振动 的激 扰作用 ； 火炮 的俯仰 角振动 的振 幅 随车速 的提高而增大 ， 随路面不平度的增加而增大 。
关键词 ： 兵 器科 学 与 技 术 ； 坦 克底 盘 一火炮 系 统 ； 炮 控 系统 ； 稳定工况 ； 火 炮 ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ Ｔａ ｎ ｋ Ｃｈ ａ ｓ ｓ ｉ ｓ － Ｇｕ ｎ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
ａ ｎｄ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏｒ ｆ Ｇｕ ｎ Ｖｉ ｂｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
ＷＡ Ｎ Ｇ Ｈｏ ｎ ｇ ｙ ａ ｎ ，Ｈ Ａ Ｏ Ｂ ｉ ｎ ｇ ｆ ｅ ｉ ， Ｙ Ｕ Ｋ ｕ ｉ ｌ ｏ ｎ ｇ ， Ｒ Ｕ Ｉ Ｑ ｉ ａ ｎ ｇ ， Ｌ Ｉ Ｓ ｈ ａ ｎ ｌ ｅ ，Ｄ Ｕ Ａ Ｎ Ｙ ｕ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔｏ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ａ ｎｋ ｃ ｈ ａ ｓ ｓ ｉ ｓ — ｇ ｕ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ ｉ ｎ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ — ｂ ｏ ｄ ｙ
第３ ８卷
第１ ２期
兵 器 装 备 工 程 学 报
２ ０ １ ７年 １ ２月
南京理工大学武器系统动力学第七讲基于ADAMS的火炮发射过程仿真
二者采用无缝连接的方式，使Pro/E用户不必退出其应用环 境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机构系统， 进行系统的运动学仿真，并进行干涉检查、确定运动锁止的 位置、计算运动副的作用力。
②图形接口模块(ADAMS/Exchange)
ADAMS/Exchange是ADAMS/View的一个可选集成模块， 其功能是利用IGES、STEP、STL，DWG/DXF等产品数据 交换库的标准文件格式完成ADAMS与其他CAD/CAM/ CAE 软件之间数据的双向传输，使ADAMS与CAD/CAM/ CAE软 件更紧密地集成在一起。
机技术的发展。
② 软件开发工具包(ADAMS/SDK)
ADAMS/SDK (Software Development Kits)是ADAMS 软件的开发工具包。利用ADAMS/SDK，用户可以把运动仿 真功能完全集成到自己的软件包中，也可以为已有的产品增 加更强的运动仿真能力。集成后的工具包与ADAMS具有同 样的仿真分析功能。
1） 用户界面模块(ADAMS/View) ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，其 界面如下图所示，是以用户为中心的交互式图形环境。它将 简单的图标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真 计算、动画显示、X-Y曲线图处理、结果分析和数据打印等 功能完美地集成在一起。
2）求解器(ADAMS/Solver)
ADAMS/Post-Processing可进一步作出因分析与设计目
标设置分析。
③耐用性分析模块(ADAMS/Durability)
耐用性试验是产品开发的一个关键步骤，它对产品零部 件性能、整机性能都具有重要影响，耐用性试验解答了这样 一个问题：“机构何时报废或零部件何时失效?
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12
xm
（3－13）
（2） 强迫振动法。对武器部件或整体进行稳态强迫振动，可以用下
第三种方法是按照激振力与位移响应之间的相位差角计算出阻尼比。
2 • 2 1 1 2 3 0
（3－17） 上一页 下一页
图3-15 实测加速度衰减振动波形
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3.3.2 模型载荷参数获取
在武器动力学模型中，载荷主要是指武器发射时所产生的各种压力和 阻力。这里主要介绍压力载荷参数的获取方法。
一、 质量 （1） 工程图纸上通常都包括尺寸、质量、材料等重要信息，可以直
（2） 目前常用的CAD软件都具有计算质量、质心、转动惯量、尺寸 等功能。不同的CAD软件，参数获取的方法不同。
（3）
二支点称重法。如图3-7
三支点称重法。如图3-8
倾斜称重法。如图3-9
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图3-7二支点称重原理示意图
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3.4.2 枪械系统发射动力学仿真
这里以56式762mm冲锋枪为例，介绍其自动机的仿真建模及分析过程。
一、 56式762mm （1） （2） 不考虑子弹发射时的作用在枪管上的阻力。将火药气体作用力
（3） 在自动武器的运动分析中，抽壳阻力是必须被考虑的。 二、 多刚体系统动力学模型 56式762mm冲锋枪多刚体系统动力学模型为16刚体23自由度模型。 模型建立的关键是在枪机的定型凸笋和枪机框的定型槽关系的处理上。
a 1 1 1
s
（3－31）
b i0 pd
（3－32） 上一页 下一页
2.
抽壳阻力是指拉壳钩从枪膛中把弹壳拉出时所遇到的阻力。将锥形弹 壳看作是一个具有平均直径和平均壁厚的圆柱形弹壳，抽壳阻力可由 以下公式近似求得
F
f
0lk
pd1
2E1
2x
d pj
1 4
d12
p
四、 模型验证
（3－33）
通过仿真计算，得到枪机框的位移和速度变化曲线如图3－35所示。
（1） 枪机框的自由行程为9mm，开锁前自由行程末枪机框的速度 为 8.74m/s，时间为1.7ms。 枪机框与枪机的碰撞结合时：枪机框的速度为8.6m/s，下降了 0.1m/s 开锁阶段：枪机框的总位移为21.39mm，开锁行程末，枪机框的速 度为 7.2m/s，时间为3.05ms 闭锁前枪机框的运动：枪机框的速度为2.6m/s，时间为72.5s 闭锁完毕后枪机框的运动：枪机框的速度下降为2.2m/s
J
T2
4 2
(k1l12
k2l22
mgh) mh2
（3） 三线摆装置测试方法。原理图如图3－12所示。
（3－8）
J
R2T 2mg
4 2l
（3－9） 上一页 下一页
三、 刚度系数获取方法
（1） 刚度示意图。通常在二维工程图中，不会直接标出刚度系数， 而是画出刚度示意图（力-位移或力矩-角度曲线），可以通过计算得 到大致的刚度系数。如图3－13为某枪击锤簧刚度示意图
表3-3 自动机运动参数比较
后坐最大速度 后坐到位速度 复进开始速度
推弹时速度 复进到位速度 一个自动机循环时间
实验结果 8.9 3.9 1.8 3.2 3 82
仿真结果 8.74 3.5 1.5 2.8 2.2 80
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五、 仿真结果分析
模型验证成功之后，下一步进行仿真计算，这里分别对连发、单发和 保险三个状态进行了仿真。通过仿真计算，可以很清晰地得到自动机 的整个运动过程，图3－34所示为扣动扳机，击锤解脱的过程。
三、 测力的主要方法是测有关弹性元件的变形。火炮与自动武器上的力多
半要动测，所以采用电阻应变片测定变形。 （1） 测力弹性元件的设计。 （2） 测力传感器的应变电桥设计。 四、 射击精度测试 评价火炮与自动武器的射击精度时，应考核其散布中心误差和射击密
集度是否合乎要求，为此，一般须先校正样枪的瞄准具（可用冷枪校 正镜），使表尺归零时瞄准线与枪膛轴线基本平行。然后，以类似试 枪与射效矫正的方法和要求做好准备，视不同枪种，在一定射距上， 以单发和（或）点射进行。
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图3-34 扳机扣动，扳机与击锤解脱
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图3-35 枪机框运动特性曲线
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（2） 开锁的时间为3.05ms，膛内火药气体压力这时为3.6MPa， 因此开锁是在膛内火药压力降低时进行的。
（3） 枪机框速度变化不大，说明开闭锁动作是平稳的。碰撞和传动
（4） 在开锁结束段枪机框速度出现抖动，是由于枪机自锁多次碰撞 引起的。
（3－27）
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图3-32 膛内火药燃气p-t曲线
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β
——经验公式：
vpjm
b0
（3－28）
——理论公式：
C d pk L v0
（3－29）
（4） 导气室作用力。
对于静力作用式导气装置，描述气室压力变化规律的布拉文经验公式
为
t
a 1
F pd e b (1 e b )ss （3－30）
（2） 实验获取方法。图3－14为火炮高低机刚度系数的测试原理图。
高低机的刚度系数： 回转体的刚度系数：
k
H F
k
H F
（3－11） （3－12）
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图3-10 物理摆测试原理图
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图3-11 倒摆测量法示意图
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图3-12 三线摆原理图
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图3-13 某枪击锤簧刚度示意图
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图3-37 击锤与扳机接触处的受力曲线
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图3-38 枪弹质心位置变化曲线
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图3-39 弹壳抛壳路线
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图3-40 弹壳抛壳速度
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图3-41 弹壳抛壳角速度
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3.4.3火炮发射动力学仿真
一、 由于自行火炮行进间发射时的运动和受力十分复杂，在建立动力学分
析模型时不可能考虑到全部影响因素，为了反映火炮的主要运动和受 力，建模时只考虑影响火炮受力和运动的主要因素，忽略其次要因素。
分为静力燃烧时期（A）、内弹道时期（B）和后效时期（C）三个 阶段，如图3－32所示。 在后效期内，火药燃气压力的变化规律，目前多采用布拉文的经验公 式来描述，即
p pkeAt
（3－26）
对于布拉文的经验公式，只要知道常系数A，膛内压力变化规律就为 已知。时间常系数A由下式确定
A
pk s
( 0.5)v0
（3） 建立模型时，必须作模型简化与分析，并将所得精度进行比较。
① 部件简化。 ② ③ 载荷简化。 ④ 系统简化。
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第三节
根据模型参数获取的目的不同，可将武器系统动力学模型的参数分为
（1） 模型物理参数。 （2） （3） （4） 模型验证参数。
3.3.1 模型物理参数的获取
第3章 火炮与自动武器系统动力学
第一节 火炮与自动武器系统动力学分析步 骤
第二节 火炮与自动武器系统动力学模型建 立方法
第三节 模型参数获取 第四节 火炮与自动武器系统动力学仿真 第五节 基于ADAMS的火炮与自动武器系
统优化
第一节 火炮与自动武器系统动力学分析步骤
3.1火炮与自动武器系统动力学分析步骤
图3-1编写程序进行仿真分析的一般步骤
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图3－2 应用通用软件进行仿真分析的一般步骤
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第二节 火炮与自动武器系统动力学模型建立 方法
3.2.1
一般来说，通常首先建立构件模型，确定构件质量、质心、转动惯量 等属性，然后确定构件之间的连接关系副，包括连接副的类型、位置 和方向等，最后确定构件的驱动，可以是输入载荷，也可以是规定的 运动轨迹，载荷包括载荷作用位置、大小、方向等，运动轨迹包括运 动的方向、大小等。
（1） 自行编写程序。编写程序进行仿真分析的一般步骤见图3-1。 （2） 应用成熟的通用多体系统动力学仿真软件进行武器系统仿真分
析。这种方法目前应用最多。这种方法的一般分析步骤见图3-2。 确定仿真的对象、目的、要求。 武器系统图形化建模。 动力学求解。 仿真结果分析。
武器系统优化。
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可以采用两种方式：面接触和点线接触。模型分别见图3-30、图3-31
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图3-30 Solid-Solid接触关系
图3-31 轨迹副
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三、 载荷确定 通常要考虑的载荷包括：火药气体作用力、作用于弹壳上的抽壳阻力、
推弹阻力等 1.火药气体作用力 根据膛内火药燃气压力的变化特点，可将火药燃气压力作用的全过程
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第四节 火炮与自动武器系统动力学仿真
3.4.1 通用仿真工具介绍
一、 ADAMS简介 二、 ADAMS ADAMS仿真分析的一般步骤如图3－27所示。
（1） 设置工作环境。 （2） 创建物体。 （3） 创建约束副。 （4） 施加载荷。 （5） 仿真分析及调试。 （6） 仿真结果后处理。
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图3-8
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图3-9 倾斜称重法原理示意图
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二、 转动惯量获取方法 （1） 物理摆测试方法。物理摆测试方法的原理如图3－10所示。
Jc
T 2 (h1mp h2m)g
4 2
mh22
Jp
（3－7）
（2） 倒摆法。有些部件用物理摆法测量很不方便，可以采用倒摆测 量方法。倒摆测量法的原理如图3－11所示。
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图3-17
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图3-18 活塞式应变测压传感器
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图3-19
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图3-20 晶体压杆传感器
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3.3.3 模型运动参数获取
一、 （1） 测时仪。测量弹丸速度常常使用电子测时仪。电子测时仪的原
理图如图 3－21所示。它由下列部分组成：脉冲发生器、检查讯号发 生器、电子开关、计数器。 （2） 区截装置。用测时仪测量时间，必须要有能让弹丸飞入和飞出 的传感器，这种传感器在弹道测试中称为区截装置，习惯上也叫 “靶”。靶的种类有如下几种： 网靶、线圈靶、短路靶、声靶、光电靶、天幕靶