1、第一章第一章 緒論緒論 火炮發射動力學研究的目的和意義火炮發射動力學研究的目的和意義 火炮發射動力學的發展階段及其特點火炮發射動力學的發展階段及其特點 火炮發射動力學模型與計算機程序火炮發射動力學模型與計算機程序 火炮發射動力學與虛擬樣機技術火炮發射動力學與虛擬樣機技術 1.1 1.1 火炮發射動力學研究的目的和意義火炮發射動力學研究的目的和意義 1.1.1 1.1.1 火炮射擊精度火炮射擊精度 1.1.2 1.1.2 火炮發射時的穩定性和安全性火炮發射時的穩定性和安全性 1.1.3 1.1.3 火炮總體參量優化與匹配火炮總體參量優化與匹配 1.1.1 1.1.1 火炮射擊精度火炮射擊精度射擊

2、精度射擊精度= =射擊準確度射擊準確度+ +射擊密集度射擊密集度射擊準確度射擊準確度：平均平均彈著點與彈著點與目標目標預期命中點間的預期命中點間的偏差偏差。射擊密集度射擊密集度：彈著點對：彈著點對平均平均彈著點的彈著點的集中集中程度。程度。影響環節影響環節：定位定向系統、目標探測系統、火控系統、：定位定向系統、目標探測系統、火控系統、 瞄準系統等。瞄準系統等。對（加）榴彈炮、迫擊炮等地面火炮，射擊密集度一對（加）榴彈炮、迫擊炮等地面火炮，射擊密集度一般用般用地面密集度地面密集度（最大射程縱向和橫向密集度）和（最大射程縱向和橫向密集度）和立立靶密集度靶密集度表示。表示。坦克炮、反坦克炮、高炮一般

3、用坦克炮、反坦克炮、高炮一般用立靶密集度立靶密集度表示表示最大射程最大射程縱向縱向密集度一般用距離密集度一般用距離中間偏差中間偏差描述：描述：210.67451NiixxxEN最大射程最大射程橫向橫向密集度一般用橫向密集度一般用橫向中間偏差中間偏差描述：描述：210.67451NiizzzEN,iix z：第：第i發彈著點坐標，發彈著點坐標，, x z：平均值：平均值近似的簡易統計方法近似的簡易統計方法在實際使用時，縱向密集度表示為：在實際使用時，縱向密集度表示為：1xxDxE其中其中 . . 表示取整運算，現代榴彈炮的縱向密集度一般表示取整運算，現代榴彈炮的縱向密集度一般小于小于1/2801

4、/280, ,例如例如PzH2000PzH2000為為1/3301/330，M106A6M106A6為為1/2101/210在實際使用時，橫向密集度一般用多少在實際使用時，橫向密集度一般用多少mil表示：表示：60002zzEDx現代榴彈炮的橫向密集度一般小于現代榴彈炮的橫向密集度一般小于1mil華約標準華約標準實例說明實例說明影響火炮射擊精度的主要因素：影響火炮射擊精度的主要因素：n 瞄準誤差瞄準誤差n 氣象觀測誤差氣象觀測誤差n 測地誤差測地誤差n 裝填條件：彈和藥裝填條件：彈和藥n 操作誤差操作誤差n 高低機和方向機的空回高低機和方向機的空回n 炮口擾動炮口擾動 隨著科學技術的發展和新技

5、術的大量應用，火控系統、觀隨著科學技術的發展和新技術的大量應用，火控系統、觀察測量系統大大提高了目標瞄準、目標探測、氣象觀測、目標察測量系統大大提高了目標瞄準、目標探測、氣象觀測、目標測距的精度，新工藝、新設備、計算機也大大減小了彈炮產品測距的精度，新工藝、新設備、計算機也大大減小了彈炮產品的固有誤差，手工操作的人為誤差也相應減少，高低機和方向的固有誤差，手工操作的人為誤差也相應減少，高低機和方向機的空回也得到有效的控制，在這種情況下，如何揭示機的空回也得到有效的控制，在這種情況下，如何揭示炮口擾炮口擾動動的物理規律及其影響因素，成為火炮動力學的重要研究內容。的物理規律及其影響因素，成為火炮動

6、力學的重要研究內容。 減輕火炮重量減輕火炮重量，提高火炮機，提高火炮機動性，保證火炮發射時的動性，保證火炮發射時的安全性安全性和和可靠性可靠性是火炮發射動力學研究是火炮發射動力學研究的另一重要目的。通過求解火炮的另一重要目的。通過求解火炮動力學方程組獲得火炮主要零部動力學方程組獲得火炮主要零部件的受力，如后坐阻力，搖架耳件的受力，如后坐阻力，搖架耳軸受力，履帶張力等動力譜，為軸受力，履帶張力等動力譜，為火炮零部件的結構分析和強度設火炮零部件的結構分析和強度設計提供了可靠的計提供了可靠的動力譜動力譜，為減輕，為減輕火炮火炮重量重量和提高火炮和提高火炮機動性機動性、保、保證火炮的證火炮的安全性安全

7、性和和可靠性可靠性提供了提供了理論依據。理論依據。1.1.2 1.1.2 火炮發射時的穩定性和安全性火炮發射時的穩定性和安全性M777(3175kg)火炮火炮彈重彈重(kg)(kg) 初速初速(m/s)(m/s)炮口動能（炮口動能（J J）全炮重全炮重(kg)(kg) 金屬利用系數金屬利用系數59-130J59-130J33.433.49309301444383014443830770077001875.8221875.82259-152J59-152J43.5643.567707701291336212913362770077001677.061677.06M777M777454582782

8、715388402.515388402.5317531754846.7414846.741M114M114434356456468390646839064580058001179.1491179.149M198M198434382782714704473.514704473.5715471542055.422055.42GC45GC45454589789718103702.518103702.510040100401803.1581803.158FH70FH70434382782714704473.514704473.5930093001581.1261581.126TRTR434383083

9、01481135014811350950095001559.0891559.089G5G5454589789718103702.518103702.513500135001341.0151341.015M71M7145458208201512900015129000920092001644.4571644.457FH77BFH77B434382782714704473.514704473.511900119001235.671235.67 以火炮發射動力學模型為伴以火炮發射動力學模型為伴隨條件，利用現代優化理論，建隨條件，利用現代優化理論，建立多目標多變量的優化模型，尋立多目標多變量的優化模型

10、，尋求求火炮總體火炮總體結構參數和物理參數結構參數和物理參數的合理的合理匹配匹配和和優化優化，為火炮武器，為火炮武器系統的系統的總體方案總體方案和和總體設計總體設計提供提供決策依據，可以避免設計的決策依據，可以避免設計的盲目盲目性性和和設計失誤設計失誤，這對火炮設計具，這對火炮設計具有重要的指導意義，也是火炮工有重要的指導意義，也是火炮工作者長期以來一直關心的熱點問作者長期以來一直關心的熱點問題之一。題之一。Iteration Number max/o040801201602002402803203604000.090.120.150.180.210.240.270.30.331.1.3 1.

11、1.3 火炮總體參量優化與匹配火炮總體參量優化與匹配1.2 火炮動力學的發展階段及其特點火炮動力學的發展階段及其特點 剛性系統、靜態力學剛性系統、靜態力學 以提高火炮首發命中概率為主要目標以提高火炮首發命中概率為主要目標 比較完整的火炮和彈丸運動方程比較完整的火炮和彈丸運動方程 系統、全面地研究火炮系統的振動問題系統、全面地研究火炮系統的振動問題 火炮虛擬樣機技術火炮虛擬樣機技術（1 1）研究方法：）研究方法：剛性剛性系統和系統和靜力靜力學學 在最初的火炮設計中，無論是在最初的火炮設計中，無論是載荷計算和強度計算，載荷計算和強度計算，還是還是火炮發射火炮發射動力學動力學特性分析，都假設火炮為特

12、性分析，都假設火炮為剛性系統剛性系統，即以，即以剛體剛體靜力學靜力學作為火炮設計的理論基礎。當然，也局部考慮了火炮系作為火炮設計的理論基礎。當然，也局部考慮了火炮系統運動的慣性力和有關的振動問題。這種分析計算結果與實際統運動的慣性力和有關的振動問題。這種分析計算結果與實際情況相差較大，所設計的火炮往往情況相差較大，所設計的火炮往往重量較大，射擊精度較差重量較大，射擊精度較差，難以滿足戰術技術要求。難以滿足戰術技術要求。 （2 2）處理的問題）處理的問題 主要研究主要研究火炮跳角形成原因和影響因素火炮跳角形成原因和影響因素、跳角的試驗測定、跳角的試驗測定方法和理論計算方法、跳角與射彈散布的關系，

13、從而為射表編方法和理論計算方法、跳角與射彈散布的關系，從而為射表編制和散布分析提供必要的理論基礎。以制和散布分析提供必要的理論基礎。以火炮實彈射擊試驗為主火炮實彈射擊試驗為主，研究對象以坦克炮和反坦克炮等平射火炮系統。在理論計算上研究對象以坦克炮和反坦克炮等平射火炮系統。在理論計算上一般從一般從單因素分析單因素分析出發，進行火炮振動與跳角關系的研究。出發，進行火炮振動與跳角關系的研究。 （1 1）研究目標）研究目標：以提高火炮以提高火炮首發命中概率首發命中概率為主要目標。為主要目標。 主要考慮主要考慮彈炮間隙、膛壓、彈重、彈炮摩擦、彈丸質量偏彈炮間隙、膛壓、彈重、彈炮摩擦、彈丸質量偏心、彈帶力

14、矩等因素心、彈帶力矩等因素。建立的力學模型將火炮和彈丸分開考慮。建立的力學模型將火炮和彈丸分開考慮的，即把彈丸當作的，即把彈丸當作質點質點處理或者假設彈丸運動條件已知來研究處理或者假設彈丸運動條件已知來研究火炮運動，或者假定火炮運動已知來研究彈丸運動，沒有考慮火炮運動，或者假定火炮運動已知來研究彈丸運動，沒有考慮彈丸和火炮的相互耦合相互影響彈丸和火炮的相互耦合相互影響。 （2 2）處理的問題）處理的問題 在試驗設備與計算技術方面，主要是考慮火炮振動的測試、在試驗設備與計算技術方面，主要是考慮火炮振動的測試、計算技術和方法。火炮科技人員用大量的事實證明，在火炮設計算技術和方法。火炮科技人員用大量

15、的事實證明，在火炮設計時僅僅進行計時僅僅進行靜態靜態分析和計算，或者單純地考慮分析和計算，或者單純地考慮某一部件某一部件的振的振動是遠遠不夠的。動是遠遠不夠的。 （1 1）研究水平）研究水平 建立了比較完整的建立了比較完整的火炮火炮和和彈丸彈丸運動方程，編制了比較完運動方程，編制了比較完善、比較實用的計算機善、比較實用的計算機程序程序。研制了一批測量火炮運動和彈丸。研制了一批測量火炮運動和彈丸膛內運動的試驗設備。用先進技術和設備測得的試驗結果與理膛內運動的試驗設備。用先進技術和設備測得的試驗結果與理論分析結果進行比較，進一步改善理論模型，使之更符合實際。論分析結果進行比較，進一步改善理論模型，

16、使之更符合實際。 （2 2）處理的問題）處理的問題 所考慮的因素所考慮的因素大幅大幅增多，如彈丸的動不平衡、軸向及橫增多，如彈丸的動不平衡、軸向及橫向慣性力、炮口靜下垂與炮身局部彎曲、彈丸的碰撞與彈回效向慣性力、炮口靜下垂與炮身局部彎曲、彈丸的碰撞與彈回效應、火炮各種類型的振動、不平衡后坐質量、布爾登效應等。應、火炮各種類型的振動、不平衡后坐質量、布爾登效應等。 （1 1）研究特點）研究特點 彈炮被當作一個彈炮被當作一個整體整體來考慮，全面地研究火炮系統的振動來考慮，全面地研究火炮系統的振動問題，系統思想和整體觀念較強。問題，系統思想和整體觀念較強。 主要考慮主要考慮彈炮相互耦合彈炮相互耦合，

17、彈丸在振動身管中受到的各種，彈丸在振動身管中受到的各種耦耦合合慣性力和力矩，如科氏慣性力與陀螺力矩。彈丸作為運動質慣性力和力矩，如科氏慣性力與陀螺力矩。彈丸作為運動質量和移動集中力予以處理。建立的火炮動力學模型和數學模型量和移動集中力予以處理。建立的火炮動力學模型和數學模型已經相當完整。將彈炮聯系起來，建立共同的運動方程組。用已經相當完整。將彈炮聯系起來，建立共同的運動方程組。用更先進的計算機技術進行運算，用更先進的測試技術和試驗設更先進的計算機技術進行運算，用更先進的測試技術和試驗設備進行試驗和測試。備進行試驗和測試。 （2 2）處理的問題）處理的問題 研究的重點是起始擾動與彈炮系統參數的關

18、系、彈丸膛研究的重點是起始擾動與彈炮系統參數的關系、彈丸膛內運動規律、優化計算方法、彈炮最內運動規律、優化計算方法、彈炮最優化優化結構參數的選擇等。結構參數的選擇等。火炮虛擬樣機技術火炮虛擬樣機技術 進入進入21世紀以來，火炮動力學得到迅猛發展，一些成熟的大世紀以來，火炮動力學得到迅猛發展，一些成熟的大型商業軟件（如型商業軟件（如DADS、ADAMS、Simpack、I-DEAS、Pro/E、Pastran/Nastran）的普遍應用，為火炮動力學的更接近工程實際）的普遍應用，為火炮動力學的更接近工程實際的應用注入了無限生機，火炮研究人員開始建立越來越與工程實的應用注入了無限生機，火炮研究人員

19、開始建立越來越與工程實際接近的際接近的虛擬樣機模型虛擬樣機模型，模擬火炮武器系統的各種性能和功能，模擬火炮武器系統的各種性能和功能，減少了設計失誤，降低了研制風險，有效地降低了各種物理試驗，減少了設計失誤，降低了研制風險，有效地降低了各種物理試驗，較大地提高了設計效率，節省了研制經費。較大地提高了設計效率，節省了研制經費。 1.3 1.3 火炮動力學模型與計算機程序火炮動力學模型與計算機程序 火炮動力學建模的幾種假設火炮動力學建模的幾種假設 火炮動力學建模需要考慮的因素火炮動力學建模需要考慮的因素 火炮動力學建模的常用方法火炮動力學建模的常用方法 幾個典型的計算機程序幾個典型的計算機程序（1

20、1）簡化目的）簡化目的 火炮動力學建模是開展火炮動力學研究的關鍵，因此各火炮動力學建模是開展火炮動力學研究的關鍵，因此各國學者都十分重視。而火炮系統是一個十分復雜的國學者都十分重視。而火炮系統是一個十分復雜的機電液機電液一體一體化系統，如何通過簡化使建立的模型更符合實際，讓各國學者化系統，如何通過簡化使建立的模型更符合實際，讓各國學者都花了很大的精力和苦心。都花了很大的精力和苦心。 （2 2）幾種常用的假設）幾種常用的假設 一是假設火炮一是假設火炮剛體位移為零剛體位移為零。 第二種考慮剛體位移和彈性變形，其運動微分方程是第二種考慮剛體位移和彈性變形，其運動微分方程是線性線性的，其系數是不隨時間

21、變化的。的，其系數是不隨時間變化的。 第三種是假設支撐條件有變化，有較大的剛體位移，其運第三種是假設支撐條件有變化，有較大的剛體位移，其運動微分方程是動微分方程是非線性非線性的，的，系數是隨時間變化系數是隨時間變化的。的。 為了保證建立的火炮動力學模型能真實地反映火炮的發射為了保證建立的火炮動力學模型能真實地反映火炮的發射過程，要全面地、過程，要全面地、系統系統地、精確地進行火炮動態性能分析和計地、精確地進行火炮動態性能分析和計算，在建模時必須考慮以下因素：算，在建模時必須考慮以下因素：u 火炮和彈丸的火炮和彈丸的結構結構參數，如質量、轉矩、轉動慣量、重參數，如質量、轉矩、轉動慣量、重心位置、

22、耳軸位置、不平衡性、剛度、彈性系數等；心位置、耳軸位置、不平衡性、剛度、彈性系數等；u 火炮系統火炮系統技術技術參數，如射速、高低射界、方向射界、系參數，如射速、高低射界、方向射界、系統尺寸、重量、戰略機動性、火力機動性、瞄準要求等；統尺寸、重量、戰略機動性、火力機動性、瞄準要求等；u 擾動擾動參數，如身管直線度、彈丸不圓度、重力、質心、參數，如身管直線度、彈丸不圓度、重力、質心、偏心度、不平行度、各種不同作用力和摩擦力、風力、風向、偏心度、不平行度、各種不同作用力和摩擦力、風力、風向、環境溫度、氣壓、氣體密度等；環境溫度、氣壓、氣體密度等；u 火炮武器發射時的主要火炮武器發射時的主要物理物理

23、現象，如瞬態作用力、接觸現象，如瞬態作用力、接觸/ /碰撞、彈性變形、大位移運動與小位移振動等。碰撞、彈性變形、大位移運動與小位移振動等。 （1 1）研究方法）研究方法 火炮動力學建模常采用火炮動力學建模常采用有限元有限元( (FEFE) )和和多體系統動力學多體系統動力學( (Multi-body System DynamicsMulti-body System Dynamics) )兩種方法。兩種方法。 （2 2）有限元方法）有限元方法有限元模型的實質有限元模型的實質 有限元模型是把火炮看成由有限元模型是把火炮看成由有限有限個梁單元、桿單元、板單個梁單元、桿單元、板單元、殼單元構成。這些單

24、元構成的模型用以代替實際結構，研元、殼單元構成。這些單元構成的模型用以代替實際結構，研究這些單元組合體的力學特性也就相當于研究了實際火炮的力究這些單元組合體的力學特性也就相當于研究了實際火炮的力學特性。學特性。 有限元模型的種類有限元模型的種類 有限元法包括線性有限元法包括線性和非線性兩種方法。和非線性兩種方法。線性有限元的特點線性有限元的特點 線性有限元又分為幾種不同的方法，而線性有限元又分為幾種不同的方法，而模態綜合法模態綜合法應用得應用得最為廣泛，利用這種方法可把整個火炮系統分成若干子結構，最為廣泛，利用這種方法可把整個火炮系統分成若干子結構，對每個子結構建模，導出各個子結構的對每個子結

25、構建模，導出各個子結構的固有振動固有振動動態特性，確動態特性，確定各子結構之間的結合條件，進而合成整個火炮系統模型，運定各子結構之間的結合條件，進而合成整個火炮系統模型，運用模態疊加法可求得對外載荷的響應，通過動態測試來檢查模用模態疊加法可求得對外載荷的響應，通過動態測試來檢查模型是否與實際相符，其過程如下圖所示。型是否與實際相符，其過程如下圖所示。 (1)mxkxP火炮有限元動力學方程的一般形式火炮有限元動力學方程的一般形式( (忽略阻尼）：忽略阻尼）：上述方程組的第上述方程組的第 i 方程為方程為：1 12211 122iiiiiiinniiininim xm xm xmk xk xk x

26、Pxk x特點：特點：各廣義坐標及其對時間的二次導數之間是相互各廣義坐標及其對時間的二次導數之間是相互耦合耦合的，的，給方程的求解造成了困難，能不能有一種方法使方程（給方程的求解造成了困難，能不能有一種方法使方程（1）解耦，）解耦，即在第即在第 i 個方程中只有第個方程中只有第 i 個廣義坐標及其對時間的二次導數，個廣義坐標及其對時間的二次導數，如下式：如下式：iiiiiM qK qQ引入引入模態矩陣模態矩陣（Modal MatrixModal Matrix）可以實現上述目的。）可以實現上述目的。01( )sintrrnrrnrqQtdM 0(2)mxkx根據常微分方程理論，其解為根據常微分方

27、程理論，其解為簡諧簡諧形式，即形式，即 sin(3)nxAt于是于是， 2sin0nnkmAt 20nkm頻率方程頻率方程： 20(4)nkmA2221111121211222212122222222211220nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnkmkmkmkmkmkmkmkmkm22212nnnn把把 稱為系統的第稱為系統的第 i 階固有頻率階固有頻率（Natural FrequencyNatural Frequency）。）。ni注意：只有系統的自由度數較少時，可用因式分解的方法注意：只有系統的自由度數較少時，可用因式分解的方法求解一元高階方程，獲得系統的固有頻率，一般對于自由求解

28、一元高階方程，獲得系統的固有頻率，一般對于自由度數很多的系統，只能采用數值計算的方法獲得固有頻率。度數很多的系統，只能采用數值計算的方法獲得固有頻率。上式展開后為關于上式展開后為關于 的的n n次高階方程，次高階方程， 由于由于MM為正定矩為正定矩陣，陣，KK為正定或半正定矩陣，因此具有為正定或半正定矩陣，因此具有n n個非負根，依次個非負根，依次為為：2n共振共振（ResonanceResonance）的概念）的概念 2( )0inikmA把把 代入（代入（4 4）得）得：ni2( )2( )2( )1111112122112( )2( )2( )2121122222222( )2( )2(

29、 )111222000iiinininninniiinininninniiinninnninnnninnnkmAkmAkmAkmAkmAkmAkmAkmAkmA或或： 上述上述齊次齊次線性方程組具有無數組解，但是線性方程組具有無數組解，但是n n個振幅之間的個振幅之間的比例是確定的，為了確定這些比例，我們可以令比例是確定的，為了確定這些比例，我們可以令 則上述方程組變為：則上述方程組變為：( )1inA2( )2( )2( )2111111212211111112( )2( )2( )221211222222121222( )2( )211111222111iiinininninnnninii

30、inininninnnniniinninnninnnninnnkmAkmAkmAkmkmAkmAkmAkmkmAkmAkmA ( )2111innninnkm 求解上述（求解上述（n-1n-1）元方程組可得）元方程組可得( )( )( )121,iiinAAA因此：因此： ( )( )( )( )1211TiiiinAAAA第第 i 階階振型振型或特征向量或特征向量Question: How to solve linear equations?把把n n個振型（特征向量）依次排成一行，構成個振型（特征向量）依次排成一行，構成模態矩陣模態矩陣，即，即 (1)(2)( )(5)nAAA為了求解振動

31、方程（為了求解振動方程（1 1），令），令 (6)xq顯然還有：顯然還有： (7)xq（6 6）和（）和（7 7）代入（）代入（1 1）得：）得： mqkqP左乘左乘 T (8)TTTmqkqP ,TTTMmKkQP (1)MqKqQ模態方程模態方程可以證明：可以證明： ,MK均為對角矩陣。均為對角矩陣。12000000nMMMM 12000000nKKKK1111122222000000000000nnnnnMqKqQMqKqQMqKqQrrrrrM qK qQ01( )sintrrnrrnrqQtdM xqrnrrKM 線性有限元模型是建立在線性有限元模型是建立在小變形小變形假設基礎上的，

32、即認為火假設基礎上的，即認為火炮發射過程中，部件的位移和變形足夠小，不足以給系統的剛炮發射過程中，部件的位移和變形足夠小，不足以給系統的剛度矩陣、質量矩陣帶來大的變化，發射過程中任意時刻的模態度矩陣、質量矩陣帶來大的變化，發射過程中任意時刻的模態矩陣均可以由發射前的模態矩陣代替矩陣均可以由發射前的模態矩陣代替。求取機械結構的固有振動頻率和振型的過程一般叫求取機械結構的固有振動頻率和振型的過程一般叫模態分析模態分析。模態分析的目的：模態分析的目的：（1 1）動力學方程解耦，大大簡化動力學求解過程。）動力學方程解耦，大大簡化動力學求解過程。（2 2）避免共振？）避免共振？（3 3）為多體系統動力學

33、分析提供模態數據。）為多體系統動力學分析提供模態數據。非線性有限元的特點非線性有限元的特點 火炮武器的發射過程是一種火炮武器的發射過程是一種瞬時瞬時、高能高能、強沖擊強沖擊的復雜過的復雜過程，零部件的彈性變形和剛性運動耦合在一起，整個過程呈現程，零部件的彈性變形和剛性運動耦合在一起，整個過程呈現強烈的強烈的非線性非線性。采用小位移假設的。采用小位移假設的線性理論線性理論描述復雜的描述復雜的非線性非線性過程顯得無能為力，因此，在采用有限元方法建立火炮武器的過程顯得無能為力，因此，在采用有限元方法建立火炮武器的結構動力學模型時，需要采用非線性的方法，不僅考慮火炮武結構動力學模型時，需要采用非線性的

34、方法，不僅考慮火炮武器發射過程中零部件的彈性變形，而且應該考慮構件剛性運動器發射過程中零部件的彈性變形，而且應該考慮構件剛性運動帶來的幾何非線性以及土壤介質的非線性。帶來的幾何非線性以及土壤介質的非線性。 非線性主要包括彈炮耦合、非線性后坐、履帶板大位移轉非線性主要包括彈炮耦合、非線性后坐、履帶板大位移轉動、懸掛非線性振動、履帶板與地面的接觸非線性和土壤非線動、懸掛非線性振動、履帶板與地面的接觸非線性和土壤非線性等。性等。 -150-100-5005010015000.30.60.91.2t/s炮口垂直位移/mm-100-5005010015000.30.60.91.2t/s車體垂直位移/mm

35、（3 3）多體系統動力學）多體系統動力學 多體系統動力學模型與有限元模型不同，它是根據火炮實多體系統動力學模型與有限元模型不同，它是根據火炮實際情況，通過一定假設把火炮看成由若干個際情況，通過一定假設把火炮看成由若干個剛體或柔性體剛體或柔性體通過通過一定的一定的約束聯接約束聯接而成的多體系統，根據力學原理建立運動方程，而成的多體系統，根據力學原理建立運動方程，研究火炮動態特性。多體系統動力學模型以一定的假設為前提研究火炮動態特性。多體系統動力學模型以一定的假設為前提條件，所得結果有一定的近似性，但是與有限元模型相比，計條件，所得結果有一定的近似性，但是與有限元模型相比，計算工作量較小，而且可以

36、很方便地考慮許多非線性問題，計算算工作量較小，而且可以很方便地考慮許多非線性問題，計算結果能反映各種結構參數對火炮動態特性的影響和規律，比較結果能反映各種結構參數對火炮動態特性的影響和規律，比較適合于火炮武器適合于火炮武器射擊穩定性分析、炮口擾動分析射擊穩定性分析、炮口擾動分析以及以火炮多以及以火炮多體系統動力學方程為伴隨方程的武器系統體系統動力學方程為伴隨方程的武器系統總體優化與匹配總體優化與匹配，另，另外多體動力學模型還可以求解有限元分析所需的載荷以及邊界外多體動力學模型還可以求解有限元分析所需的載荷以及邊界條件等。條件等。炮口響應駐鋤響應可用于火炮動力學分析的常用軟件可用于火炮動力學分析

37、的常用軟件 目前，可用于火炮動力學建模的商業軟件有很多，如目前，可用于火炮動力學建模的商業軟件有很多，如ADAMSADAMS、DADSDADS、SimpackSimpack、NASTRANNASTRAN、ANSYSANSYS、ABAQUSABAQUS、LS-DYNALS-DYNA、 LS-OPTLS-OPT、LS-POSTLS-POST、DYTRANDYTRAN等，這些軟件既可以運行在以等，這些軟件既可以運行在以WindowsWindows為操作系為操作系統的微型計算機上，又可在以統的微型計算機上，又可在以UNIXUNIX為操作系統的小型計算機（或為操作系統的小型計算機（或超級圖形工作站）上運

38、行。在美陸軍第超級圖形工作站）上運行。在美陸軍第1 1至第至第1010次火炮動力學會次火炮動力學會議論文集中，經常有學者應用這些通用軟件進行火炮動力學研究議論文集中，經常有學者應用這些通用軟件進行火炮動力學研究的文章，其中的文章，其中NASTRANNASTRAN、DADSDADS以及以及ADAMSADAMS軟件最為典型。軟件最為典型。1.4 1.4 火炮發射動力學與虛擬樣機技術火炮發射動力學與虛擬樣機技術 進入進入2121世紀以來，虛擬樣機技術在火炮武器的世紀以來，虛擬樣機技術在火炮武器的研制過程中得到了初步應用，該技術是火炮動力學研制過程中得到了初步應用，該技術是火炮動力學仿真技術的高級階段

39、，也是實現火炮武器數字化設仿真技術的高級階段，也是實現火炮武器數字化設計的重要理論支撐。計的重要理論支撐。 虛擬產品開發與虛擬樣機技術的來源虛擬產品開發與虛擬樣機技術的來源 虛擬產品開發和虛擬樣機技術產生的技術背景虛擬產品開發和虛擬樣機技術產生的技術背景 虛擬產品開發的定義虛擬產品開發的定義 虛擬樣機技術虛擬樣機技術波音波音777777飛機研制模式飛機研制模式 全數字化全數字化的無圖紙設計技術，的無圖紙設計技術，100100采用三維數字采用三維數字化定義，化定義，100100應用數字化預裝配，首次實現了整機數應用數字化預裝配，首次實現了整機數字化設計、數字化制造和數字化協調。成本降低了字化設計

40、、數字化制造和數字化協調。成本降低了2525，出錯返工率減少了，出錯返工率減少了7575，制造周期縮短了，制造周期縮短了5050。 波音波音777777的研制成為現代產品開發新技術應用的里的研制成為現代產品開發新技術應用的里程碑，其采用的開發過程現在稱之為程碑，其采用的開發過程現在稱之為虛擬產品開發虛擬產品開發（Virtual Product Development，VPD），應用的開發），應用的開發技術稱之為技術稱之為虛擬樣機技術虛擬樣機技術（Virtual Prototyping，VP）。）。 是市場激烈是市場激烈競爭競爭的拉動和技術迅速發展的推動的拉動和技術迅速發展的推動共同作用的結果；

41、共同作用的結果； 解決解決T T（最快的上市時間）、（最快的上市時間）、Q Q（最好的研制質（最好的研制質量）、量）、C C（最低的研制成本）以及（最低的研制成本）以及S S（良好的服務）（良好的服務）和和E E（盡量少的環境污染）難題的需要；（盡量少的環境污染）難題的需要； 世界已經進入世界已經進入 全球化的知識經濟時代，現代全球化的知識經濟時代，現代信息技術信息技術特別是計算機技術得到了飛速發展與廣特別是計算機技術得到了飛速發展與廣泛應用。泛應用。 早在早在19931993年，世界著名的年，世界著名的CAD/CAMCAD/CAM服務供應商服務供應商EDS EDS UGUG的總裁的總裁Joh

42、n MazzolaJohn Mazzola就對就對 VPDVPD作了這樣的描述：作了這樣的描述：“虛擬產品開發虛擬產品開發是一種設想，在這個設想中，以是一種設想，在這個設想中，以網絡網絡方式方式組織在一起的人們將協同工作，以完成對產品的組織在一起的人們將協同工作，以完成對產品的設計、分析、制造及技術支持。他們的工作將以設計、分析、制造及技術支持。他們的工作將以數字數字化化的方式確定和分配，從而使得他們能夠在任何時間、的方式確定和分配，從而使得他們能夠在任何時間、任何地點協同或獨立地工作。這種開發網絡除了生產任何地點協同或獨立地工作。這種開發網絡除了生產公司外，還將包括公司外，還將包括供應商供應

43、商、合作伙伴合作伙伴及及客戶客戶。” ” 基于虛擬樣機的產品開發模式基于虛擬樣機的產品開發模式協同虛擬樣機的產品開發模式協同虛擬樣機的產品開發模式數字化方式數字化方式 虛擬產品開發是產品設計制造的真實過程在虛擬產品開發是產品設計制造的真實過程在虛擬環虛擬環境境中的映像。中的映像。虛擬產品開發數字化的特征：虛擬產品開發數字化的特征： 產品存在的數字化產品存在的數字化 開發管理的數字化開發管理的數字化 信息交流的數字化信息交流的數字化產品全生命周期產品全生命周期 虛擬產品開發不僅是對產品的物質虛擬產品開發不僅是對產品的物質形態形態和和制造制造過程進行模擬和可視化，而且對產品的過程進行模擬和可視化，

44、而且對產品的性能性能、行為行為和和功能功能以及在產品實現的各個階段中的以及在產品實現的各個階段中的實施方案實施方案進進行行預測預測、評價和優化評價和優化。支撐技術：支撐技術： CAD（Computer Aided Design） CAE（Computer Aided Engineering） CAM（Computer Aided Manufacture） PDM（Product Data Management） VP（Vrtual Prototype）PLM（Product Life-Cycle Management） 網絡協同網絡協同 產品本身及其開發過程的復雜性，使得單一公司或產品本身及其

45、開發過程的復雜性，使得單一公司或部門難以勝任全部的工作，往往是由相關的部門和公司部門難以勝任全部的工作，往往是由相關的部門和公司共同組成一個共同組成一個開發網絡開發網絡，協同開發。，協同開發。示例：示例：波音波音777777、復雜武器系統、復雜武器系統重要特征：重要特征： 基于網絡的基于網絡的協同開發協同開發( (Collaborative Development) ) 并行工程并行工程( (Concurrent Engineering) ) 虛擬樣機技術是近些年在產品開發的虛擬樣機技術是近些年在產品開發的CAXCAX如如CADCAD、CAECAE、CAMCAM等技術和等技術和DFXDFX如如

46、DFADFA（Design For AssemblyDesign For Assembly，面向裝配的設計）、面向裝配的設計）、DFMDFM（Design For ManufactureDesign For Manufacture，面向制造的設計）等技術基礎上發展起來的，它進一面向制造的設計）等技術基礎上發展起來的，它進一步融合了步融合了現代信息技術、先進仿真技術和先進制造技現代信息技術、先進仿真技術和先進制造技術術，將這些技術應用于復雜系統全生命周期和全系統將這些技術應用于復雜系統全生命周期和全系統并對它們進行綜合管理，從并對它們進行綜合管理，從系統的層面系統的層面來分析復雜系來分析復雜系統，支持由上至下的復雜系統開