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舰载火炮发射与火力控制系统仿真研究

作　者: 王翀
导　师: 任革学
学　校: 清华大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 舰载火炮多体动力学火力控制算法接触与碰撞
分类号: TJ391
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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引　用: 1次
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内容摘要

舰载火炮发射是一个瞬时、高能、强冲击的复杂过程。在这个过程中,振动和冲击对火炮结构的影响是不可忽视的。因此,分析和研究火炮系统的动态响应对于火炮系统的研制是相当重要的,而对火炮的发射过程进行计算机仿真分析则是获得火炮系统动态性能参数的有效并且经济的手段。此外,通过数值仿真也能够方便地对火控算法进行设计、验证及优化。本文将动力学仿真和火控算法在多体动力学框架下相结合,建立相对完整的舰炮虚拟样机模型,能够模拟舰炮从计算射击诸元、舰炮转动到命中目标位置、发射炮弹以及炮弹在空气中的飞行到命中目标的全部过程。首先,建立了舰炮发射多刚体模型,在模型中考虑了各部件之间的连接刚度,并在分析研究炮弹和身管耦合发射动力学模型时,采用膛线轨迹的解析曲线计算了发射时炮弹与身管之间的接触碰撞力,最后通过仿真分析对炮口动力学的响应特性进行了研究。其次,利用柔性梁单元对炮管进行建模,并建立了舰炮系统的柔性多体系统动力学模型。在这一模型基础上研究舰炮在转向和发射过程中炮口动力学的响应特性以及通过在炮口安装吸振器进行振动抑制的方法。其中,在仿真舰炮发射时,将之前在多刚体模型中得到的炮弹与身管之间的碰撞力施加在柔性梁身管上,从而模拟舰炮发射过程中炮弹与身管的碰撞。最后,编写了一套有效的舰炮射击控制算法,采用最小二乘法预测目标的运动规律,建立目标的运动方程;利用四阶龙格库塔方法求解炮弹的弹道微分方程;将目标运动方程和弹道方程联立,通过牛顿迭代算法求解方程,得到命中目标所需的射击诸元。本文利用建立的虚拟样机模型对火炮发射和命中目标的过程进行了数值仿真和初步分析,并通过算例对模型本身的正确性与可靠性进行了验证。研究结果表明本文可以为舰炮发射和火力控制系统仿真研究提供一个有效的分析方法和验证手段,对舰炮设计有一定的参考价值。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章引言  8-14
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 研究现状及相关进展  9-12
    1.2.1 概述  9
    1.2.2 舰炮系统动力学现状  9-11
    1.2.3 舰载火控原理研究现状  11-12
  1.3 本文研究的主要内容  12-14
第2章舰炮发射系统多体动力学研究  14-38
  2.1 概述  14
  2.2 多体系统动力学分析方法  14-17
  2.3 舰载火炮发射多刚体系统动力学建模  17-25
    2.3.1 舰载火炮各部件描述和Pro/E 建模  17-22
    2.3.2 舰载火炮发射多体系统建模  22-25
  2.4 舰炮多体动力学仿真试验  25-38
    2.4.1 刚体模型的建立及仿真分析  25-27
    2.4.2 柔性体模型的建立及仿真分析  27-38
第3章舰炮火力控制算法建模与分析  38-59
  3.1 概述  38-39
  3.2 应用于火控算法的舰炮多体动力学模型  39-40
  3.3 舰炮火控算法分析  40-49
    3.3.1 目标位置预测  40-42
    3.3.2 解弹道微分方程  42-43
    3.3.3 建立命中方程  43-45
    3.3.4 牛顿迭代求解命中诸元  45-49
  3.4 火控算法仿真试验分析  49-59
    3.4.1 控制参数的测量  49-53
    3.4.2 航路算例计算  53-59
第4章总结  59-61
参考文献  61-62
致谢  62-63
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  63

舰载火炮发射与火力控制系统仿真研究

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