由机械、电气、液压高度耦合而成的火炮供输弹系统是火炮实现自动化的核心关键系统。复杂性强、任务作业环境恶劣,导致供输弹系统故障率高、可靠性差,从而影响火炮系统的整体性能,对其开展故障研究尤为重要。以火炮供输弹系统为研究对象,分析了供输弹系统故障所呈现的特点,总结了典型的供输弹系统故障分析方法,概述了供输弹系统故障诊断方法的研究进展和存在的问题。此外,当前故障诊断技术的发展和应用也为提高火炮供输弹系统的可靠性提供了有效的途径,通过了解多领域故障诊断方法的研究历程,探讨了供输弹系统故障诊断技术未来的发展趋势,并归纳了影响供输弹系统故障诊断研究的个性因素,为其之后的探索提供了研究思路。
柱塞泵马达系统高压油路存在固有的压力脉动现象,其激发振动和噪音,恶化动力传递的平稳性,严重影响系统的可靠性和寿命。以往的研究主要聚焦于高压柱塞泵的压力脉动,而对柱塞泵马达系统高压油路的压力脉动耦合特性缺少研究。针对以上问题,通过揭示柱塞泵马达系统高压油路压力脉动的耦合机理及耦合特征,提出柱塞泵马达系统高压油路压力脉动解耦新方法。利用解耦新方法研究发现,泵源激励是贡献柱塞泵马达系统高压油路压力脉动的主要根源。对于所研究的联体设计的泵马达,在泵满排量状态下,泵源激励对高压脉动的平均贡献占比高达72%,而马达贡献占比仅为28%。新方法及所得到的新结论加深了对柱塞泵马达系统高压油路压力脉动耦合特性的认识,为进一步抑制和利用柱塞泵马达系统高压油路的压力脉动现象提供了理论支撑。
火炮射击时作用在驾驶室表面的冲击波超压是研究车载炮驾驶室炮口冲击波防护性能的载荷边界条件。为探索车载炮驾驶室表面的炮口冲击波超压特性,以某型装备为对象设计系统的射击试验方案开展研究。试验兼顾车载炮的主、辅助射界,获取7种射角工况下驾驶室上不同位置的冲击波超压数据,得到炮口与驾驶室不同空间位置下驾驶室表面冲击波超压的衰减规律。采用非定常无黏三维欧拉方程建立炮口冲击波流场计算模型,对极限工况下驾驶室表面的冲击波超压进行仿真模拟,数值仿真与试验结果的冲击波超压变化趋势一致,炮口气流速度吻合时最大超压峰值误差小于4%。研究结果表明:炮口冲击波在地面、驾驶室结构影响下,在车载炮驾驶室表面形成了具有显著峰值的二次超压分布;炮口制退器制退孔朝向、驾驶室上凸起结构等使得驾驶室表面的冲击波超压更加恶劣。
为了提升装备机动能力,基于摆动缸式油气悬挂装置,建立高压气动原理和背压可控的阻尼阀结构,实现刚度和阻尼特性的实时调节。基于单轮悬挂模型开展不同刚度控制方法的振动响应对比分析以及阻尼特性频域不动点推导,提出一种刚度有级调节控制策略和一种频域混合阻尼控制方法,通过单轮悬挂动力学模型验证所提控制方法的有效性,并构建高机动履带车辆动力学模型进行整车仿真分析。在康庄、羊八井、坨里实测路面环境下,采用刚度阻尼联合控制方法的悬挂装置相较于传统被动悬挂的越野速度提升了25%以上,验证了新提出特性控制方法对振动响应抑制的优越性,能够为悬挂装置实现弹性与阻尼双特性自适应调节提供支撑。
通过复合材料的经典层合板理论与坐标变换,简化材料模型,避免了复杂的复合材料铺层建模。为了解决电磁炮纤维缠绕约束结构的多目标优化问题,提出一种改进型免疫克隆布谷鸟多目标优化算法(Multi-objective Improved Immune Clonal Cuckoo Algorithm,MOIICCA)。通过对ZDT1~ZDT3测试函数的100组仿真计算,验证了MOIICCA的准确性,并利用反世代距离(Inverted Generational Distance,IGD)评价指标来度量MOIICCA的性能。通过引入深度神经网络(Deep Neural Network,DNN),以646组电磁炮有限元计算结果为训练集,训练出满足工程使用要求的DNN代理模型来代替有限元仿真,提高了多目标优化的计算效率。最后利用MOIICCA对电磁炮纤维缠绕约束结构进行多目标优化,得到符合多目标优化要求的Pareto解集。IGD结果表明:MOIICCA相比于多目标粒子群优化算法和非支配排序遗传算法具有更高的计算精度和计算效率且在高维问题求解时更具优势,测试的时间结果也表明MOIICCA可以在更短的时间内求解得到质量更优的Pareto解集。前10组Pareto解的结果表明,电磁炮纤维缠绕约束结构的碳纤维层1主要以提高环向强度为主、碳纤维层2主要以平衡环向强度与轴向刚度为主。
电磁轨道炮发射时膛内瞬变强磁场环境会使无线电引信电路中产生感应电流,对引信正常工作产生影响,因此需要采取合理的电磁屏蔽和防护措施保证引信可靠工作。针对上述问题,基于法拉第电磁感应定律,提出电磁轨道炮无线电引信综合电磁防护方法,即利用高磁导率材料壳体进行磁屏蔽,降低引信电路的磁感应强度;利用高电导率材料的涡流效应降低引信电路中的磁感应强度变化率;通过优化电路设计,减小引信电路回路面积;通过电路板布局,减小引信电路与磁场的点乘。强磁场环境下无线电引信的有限元模型的仿真分析结果表明,上述电磁防护方法有效,所得研究结果能够为电磁轨道炮无线电引信设计提供参考。
旋转弹在飞行过程中受多种干扰的影响,包括跨域飞行气动参数剧烈变化引起的模型不确定性以及飞行过程中受到的外部扰动。为了解决高动态飞行环境中双通道旋转弹的鲁棒控制问题,基于轨迹线性化控制方法,设计伪逆反馈控制器。采用径向基函数神经网络,设计自适应前馈补偿控制器,有效实现对模型不确定性的精确逼近。将神经网络逼近误差和外部扰动处理为总扰动,并基于固定时间稳定理论设计一种自适应扰动观测器,实现对总扰动的精确估计及补偿。通过Lyapunov理论,严格证明了闭环系统的最终一致有界性。通过数值仿真验证了所设计方法的有效性。
针对高超声速巡航导弹机动突防时弹道偏离难以约束、突防策略对不同作战场景的泛化性能较差等问题,提出一种基于虚拟目标和上下文马尔可夫决策过程的智能机动突防决策算法。在以预定弹道为轴线的管状弹道包络面内选定多个静止的虚拟目标,采用深度强化学习算法对其相对预定弹道的位置参数进行决策;用比例导引律引导巡航弹依次攻击这些虚拟目标,在包络面内塑造出能满足突防要求的机动弹道。基于上下文马尔可夫决策过程,将针对单个作战场景的最优突防策略拓展到作战场景的概率分布上,提升突防策略对不同作战场景的适应性。仿真结果表明:该智能机动突防策略能在突防的同时约束弹道偏离,在拦截弹发射位置和机动能力发生变化时仍能保持良好性能。
肥皂靶标广泛应用于创伤弹道领域,作为生物目标等效靶,以观察伤口通道的破坏特征评估弹药的潜在伤害,但目前尚缺乏低附带毁伤弹药的亚毫米颗粒毁伤元对生物目标的损伤标准。采用量纲分析方法确定侵彻空腔的成形特征,根据颗粒驱动试验获得肥皂靶标的实际创伤弹道表现,并结合数值模拟分析亚毫米颗粒的侵彻空腔演化规律,建立亚毫米颗粒对肥皂靶标的临界损伤条件。研究结果表明:亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标产生以入口直径和空腔深度来表现的圆锥状空腔,不同密度、粒度和速度的亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标产生的空腔存在明显差异,空腔特征与比动能相关;随着颗粒材料密度、粒度和速度的增加,侵彻肥皂靶标产生的空腔容积随之增加,颗粒粒径越大,对肥皂靶标的侵彻深度越深,入口直径扩展至颗粒粒径的2.0~2.5倍;参考常规破片杀伤标准,等效计算不同粒径亚毫米颗粒对肥皂靶标的致伤及不同侵彻深度的能量密度阈值,发现亚毫米颗粒侵彻的能量密度需要超过0.83J/cm2才能对肥皂靶标造成损伤。数值模拟、试验测试和理论分析结果吻合较好,影响规律具有一致性,研究结果可为低附带毁伤战斗部设计及效应评估提供理论参考。
灌封防护可以增强电子设备的完整性,提高对外部冲击和振动的抵抗力,在汽车、船舶和兵器等领域得到了广泛应用。但传统的均质树脂灌封材料存在韧性不足、抗冲击能力较差的问题。针对这一问题,设计了碳纳米管(Carbon nanotubes, CNT)增强树脂基梯度灌封材料,并开展梯度灌封电路板结构的抗冲击性能研究。基于准静态拉伸试验和动态落锤冲击试验分析了不同CNT含量对树脂基体的增强效果以及不同梯度类型灌封结构的抗冲击性能,并通过有限元仿真得到了灌封层及内部电路板的能量吸收和损伤失效情况。研究结果表明:添加0.7 wt% CNT的灌封材料具有较高的拉伸强度,比纯环氧树脂提高了16%;V型梯度灌封板的冲击强度和临界破坏能量高于其他梯度类型,且比均质板提高了40%和15.8%;灌封材料的缓冲吸能对内部电子元件具有良好的防护作用,并且CNT含量较高的铺层吸能更高。提出的新型梯度灌封方式为冲击环境下的电子元件的防护设计提供了参考。
研究对称起爆加载下金属样品内激波斜碰的早期动态力学行为,对分析其后续的动态演化与失效机制有着重要的意义。结合激波极曲线理论和数值模拟方法,开展两点侧面对称起爆加载下金属铅(Lead,Pb)、无氧铜(Oxygen-free high conductive copper,Cu-OFHC)和钨合金(W-Ni-Fe alloy,W4Ni2Fe)的动态行为研究。利用激波极曲线方法和Hugoniot状态方程,得到3种金属激波反射形式发生转变时入射角和入射压力临界值之间的关系,并基于此结果分析仿真中3种金属内激波的对称斜碰特征。模拟结果显示3种金属都发生了马赫反射,吻合理论预测。通过对比3种金属内部横向同一区域的压力剖面发现:Pb的马赫杆宽度远大于Cu-OFHC和W4Ni2Fe;Pb中由入射激波、马赫杆和反射激波形成的三波加载区域也大于后两者,分析认为主要原因是Pb中的声速远小于后两者,造成碰撞区内激波相互作用的差异。基于自由面的速度历史剖面和判定准则估算这3种金属中最终形成的马赫杆宽度并讨论碰撞区的动态演化特征。结合对金属内部压力及自由面速度剖面的分析建立斜激波对称碰撞动态演化模型,为深入认识碰撞区的动态力学行为提供了理论支持。
针对变外形航天飞行器制导与变形决策强耦合问题,提出了基于深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient, DDPG)变外形碰撞规避的轨迹规划方法。依托变形参量建立变外形航天飞行器运动学模型,设计具有射程误差校正功能的纵向制导律和基于视线角偏差的横向制导律,实现绕飞障碍物并保证制导精度。建立适用于连续变外形的马尔可夫决策模型,以攻角、马赫数以及飞行器与障碍物的相对距离为状态空间,设计考虑碰撞的势场惩罚函数及满足制导精度的奖励函数,并构建DDPG网络实现状态空间到动作的尺度变换,得到最优外形决策指令。仿真结果表明:与固定外形航天飞行器相比,通过对外形最优决策,提高了航天飞行器制导精度和横向避障能力,降低了对机载雷达感知能力的要求,节省了感知成本。
为探究折叠十字形伞有限质量充气特性及尾流再附现象,采用任意拉格朗日-欧拉方法对质量比数Mr范围为0.17~0.94以及弗劳德数Fr范围为6.8~383.9的十字形伞-载荷系统减速过程进行流固耦合数值模拟。研究Mr及Fr对十字形伞充气过程的影响,并讨论其对开伞载荷峰值Xp、伞衣坍塌参数Rc的影响,绘制十字形伞“正常充气展开”、“发生尾流再附后再次充气”、“发生尾流再附后完全失效”3种不同充气展开结果关于Mr及Fr的相图。分别对3种十字形伞的充气现象进行详细分析,研究其开伞载荷、阻力系数及伞衣投影直径的瞬态变化过程。结合伞衣结构变形、伞衣应力及非定常流场,阐明十字形伞3种不同充气展开过程的流固耦合机理。研究结果表明:无量纲开伞载荷峰值Xp及坍塌参数Rc随Fr的增大而增大;十字形伞有限质量充气展开过程中,伞衣与周围空气发生较为剧烈的动量交换,可能出现高速尾流与伞衣接触导致十字形伞明显凹陷甚至完全塌陷失效的现象。
视觉惯性里程计是机器人实现自主定位的关键技术,事件相机作为一种异步视觉传感器,与传统相机具有互补的特点。针对低光照、光照大幅度变化和高速运动场景,对事件相机的输出和传统图像进行融合,并结合惯性测量单元进行实时点线特征法视觉惯性里程计研究。提出一种从事件流生成事件图像的算法,设计融合事件的点线特征检测方法;基于视觉-惯性紧耦合的思想,设计后端滑动窗口优化算法;进行数据集试验验证和无人机飞行试验验证。在数据集上的试验结果表明:与仅使用传统图像的点线特征法视觉惯性里程计相比,在高速运动的场景下,定位误差平均减少了22%以上;在低光照、光照大幅度变化的场景下,定位误差平均减少了59%以上。
针对线性弹射装置占地面积大、结构复杂和质量大的固有缺点,提出一种单轴一体式钢索拖动新型电磁弹射和阻拦装置。装置由永磁储能电机、电涡流离合器、电涡流制动器和绕线轮等组成。介绍了装置的结构和工作原理。基于安培环路定理建立电涡流离合器和电涡流制动器的电磁理论模型。通过与三维有限元计算结果对比,分析电涡流离合器和电涡流制动器的电磁特性。通过制作的电涡流制动器的小型试验样机验证电磁理论模型的正确性和有效性,最终进行动力学分析。研究结果表明,该装置可以使30000kg的飞机在2.1s内从0m/s加速到70m/s,并能够使72m/s的飞机在2.6s停下,满足设计指标的要求。
针对受外界干扰和非最小相位影响下的高超声速飞行器的跟踪控制问题,提出基于Byrnes-Isidori(B-I)标准型的滑模控制策略。设计新的积分滑模面和新型复合趋近律,在趋近律中将指数函数和符号函数结合,提高高超声速飞行器的抗抖振能力和快速收敛性能。采用滑模控制方法构造鲁棒滑模控制器,保证内部动态的渐近稳定性。同时构造非奇异终端滑模控制器,保证速度跟踪误差的实际有限时间稳定性和外部动态的有界稳定性。结合非奇异终端滑模控制具有鲁棒性强、收敛速度快等特点,设计终端滑模干扰观测器解决速度子系统和航迹角子系统中的外界干扰问题,并利用Lyapunov理论进行稳定性分析,证明了估计误差的实际有限时间稳定性,对比仿真结果表明了基于B-I标准型的滑模控制策略的可行性和有效性。
针对一移两转舰船重载并联稳定平台普遍存在伴随运动、不利于求解运动学解析解且增加控制系统难度的问题,提出一种去除绕z轴伴随转动、具有解析解的1T2R变异3UPS-PUU-2SS并联稳定平台机构。通过分析空间约束支链的运动特性,证明了该机构没有绕z轴的转动。采用空间闭环矢量方程法,建立约束方程组和运动学模型,进而求得伴随移动和逆运动学解析解。通过快速极坐标搜索法绘制该机构的可达工作空间,并通过雅可比矩阵条件数分析该工作空间的灵巧度;基于虚功原理建立该机构的动力学模型,通过5次多项式插值法进行数值求解,绘制驱动力理论曲线并与动力学仿真曲线进行对比。理论与仿真结果表明:可达工作空间可以满足某舰船四级海况下的运动补偿要求,其全局灵巧度大于0.32,动力学模型的理论与仿真结果最大误差在1.42%以内,验证了动力学模型的准确性;该并联机构运动学与动力学性能良好,为其实际应用提供了理论基础。
现有时间敏感网络中的时间触发(Time-Triggered, TT)流量重构研究常忽视流量的冗余情况,导致在实际部署中难以同时兼顾TT流量的延迟性能与故障后重构方案的求解效率。针对上述问题,提出一种故障后流量重构和调度的优化方法。该方法以牺牲无冗余流量的延迟性能为代价,通过提出的快速重构算法及对应的增强设计,能够在保障求解成功率的基础上实现重构方案求解效率的提升。新方法还通过灵活调整未受影响的TT流的调度方案的策略,设计基于禁忌搜索的优化算法以及对应的最优化目标函数,以提升重构后全网TT流量的延迟性能。实验结果表明,新方法的求解效率较当前主流的增量重构方法提升了75.03%以上,且能够在多轮重构后改善TT流量的延迟性能,具有较高的应用潜力。
受蝗虫跳跃生物力学机理启发,设计一种具有关节扭簧和双梯形结构特征的弹射装置,具备在低推力需求下实现大弹射行程的能力,同时在导弹分离时使其保有初始低头角速度和角度的特征。通过参数化模型结合Kriging代理模型优化方法,优化得到高效的机构布局参数;基于刚柔耦合动力学模型研究发射过程中臂杆柔性效应对导弹弹射分离参数的影响;基于计算流体动力学分析弹-机分离过程。研究结果表明:基于参数化模型和Kriging代理模型优化方法能够快速获取满足设计要求的机构参数;弹射过程中,臂杆的柔性变形会导致实际分离参数与理想设计参数之间存在差异,细节优化设计时柔性效应不能被忽略,且需考虑增加结构刚度以减小设计偏差;给出的设计实例能够满足设计指标且弹-机能够安全分离,证明了新设计的有效性。
雷达及声呐系统采集的三维球坐标量测与运动目标的笛卡尔坐标状态呈非线性,导致跟踪精度受限,而具有强非线性的多普勒量测更难以高效利用。针对上述问题,构造由距离、俯仰角、方位角及其微分组成的状态向量,使测量方程线性化;在距离、俯仰角构成二维时变极坐标系中对常微分动力学方程离散化,再基于投影关系引入方位角,建立球坐标系中的典型三维常速度和常加速度运动模型;结合标准卡尔曼滤波在线性高斯框架下,实现跟踪以避免非线性误差。通过仿真验证了在包括多普勒雷达等若干三维跟踪场景下提出方法的有效性与性能优势。
针对冲击波载荷作用下火炮身管易损性理论研究方法欠缺、判据模型构建不完善的问题,提出冲击波载荷作用下的火炮身管易损性理论研究方法。基于Euler-Bernoulli梁模型和刚塑性梁模型,建立冲击波载荷作用下的火炮身管动力学模型。依据身管弹-塑性状态的转变和塑性变形的程度,构建身管功能毁伤的物理毁伤判据。基于身管固有振动周期和冲击波正压作用时间与冲击波毁伤准则的关系,提出冲击波毁伤准则确定系数,并构建可定量化确定冲击波毁伤准则的关系式。基于爆炸相似律,构建冲击波载荷作用下的火炮身管毁伤判据数学模型。基于该理论方法,获得冲击波载荷作用下的身管毁伤判据。算例分析结果表明,当冲击波毁伤等级常数CX大于等于16.44时,火炮身管功能毁伤。
针对大多数基于先验的盲图像去模糊算法耗时较长和显著边缘结构提取不理想的问题,提出一种基于显著性区域检测的多尺度图像盲复原算法。为了复原出更加清晰的图像,采用由粗略到精细的多尺度交替迭代框架构建图像金字塔。在图像单一尺度方面,首先提取出图像中具有强边缘结构的显著性区域,并对其施加l0范数约束,提出显著映射先验;将显著性映射先验和最大后验概率相结合并引入传统图像去模糊模型中,构造出点扩散函数估算模型,利用半二次分裂算法解决模型的非凸问题;对点扩散函数进行复原时,利用点扩散函数相似度的变化量限制每个尺度中的过渡迭代;对模糊图像和最终估计的点扩散函数进行非盲解卷积,获得复原图像。实验结果表明:与现有的主流去模糊算法相比,新算法在合成数据集和真实数据集中都可以有效抑制振铃和伪影现象,得到了很好的视觉体验,且评价指标均优于对比算法,同时大大缩减了复原时间。
为了简化滚转-俯仰式导引头的跟踪过程,提出并通过实验证明了一种应用于此结构的跟踪方案。通过分析滚-仰式导引头的工作原理及特性,提出基于解像旋机理跟踪目标的新方法,以简单、有效地应用于工程实际。与传统坐标转换法不同,新方法的精度受到光轴等机械误差的影响更小,容错率更高,适用性、实时性更强,且可以同时通过角速率陀螺数据作为反馈进行任意方向的扰动补偿。根据陀螺安装方式的不同,通过推导导引头稳定平台状态及导引头与弹体间的相对运动关系得到稳定公式,完成控制系统的设计。通过半实物仿真进行实验验证,静态跟踪实验结果证明了新的跟踪方法具有可实用性。在动态跟踪实验中分别使用传统坐标转换法和新提出的解像旋法进行跟踪。动态实验结果表明:解像旋法在存在载体扰动情况下仍然适用;相比传统坐标转换法,解像旋法较大幅度地提高了跟踪精度,x轴跟踪误差RMSE值减小了79.10%,y轴减小了90.04%。
为研究高层建筑上部结构在远场爆炸冲击波整体加载作用下的动态响应规律,设计并制作1:30缩比的整体高层建筑模型,完成野外化爆试验,获取建筑模型迎爆面冲击波压力曲线和不同高度位置处的位移曲线,结合数值模拟的方法判断试验加载状态,并对建筑模型的破坏形态和实测数据进行分析。研究结果表明:在远场爆炸冲击波作用下,高层建筑框架柱破坏模式以受剪破坏为主,框架梁构件以弯曲破坏为主,同时不同构件间的相互作用对破坏模式也有重要的影响;爆心与建筑物夹角θ≤25°时,迎爆面各处冲击波压力参数相同;当建筑结构整体仍处于弹性变形阶段时,各高度位置前期水平位移变化曲线近似重合,运动周期保持一致,后期由于高度不同,位移峰值有一定差别,与高度近似呈线性增长的关系;建筑模型的变形与破坏主要取决于比冲量的大小,冲击波峰值影响较小。
为分析弹协调动态随机过程中不确定性输入参数对协调到位精度的影响,基于直接概率积分法(Direct Probability Integer Method,DPIM)研究弹协调过程的动态不确定性传播。建立弹协调机构的刚柔耦合动力学模型,推导弹协调过程的概率密度积分方程,并采用Karhunen-Loeve(K-L)展开方法实现动态随机驱动载荷的降维,进而基于DPIM量化动态不确定性条件下弹协调臂到位角度的不确定性。与试验对比的结果表明:弹协调到位仿真输出与试验测试结果基本吻合,验证了模型的准确性;与Monte Carlo(MC)结果对比,基于DPIM方法得到的概率密度函数与MC相比误差较小,验证了新方法的有效性;动态随机载荷和不确定性参数影响下的协调到位结果表明:K-L方法有效实现了协调过程动态随机载荷的降维,协调到位误差随协调角度变大而变大。计算结果可为弹药自动装填系统可靠性设计提供有力支撑。
在自动装填系统中,协调输弹机构是完成弹丸转运的重要组成部分。由于协调输弹机构长期处于发射冲击的载荷作用之下,导致协调器运动副轴孔之间由于磨损作用出现间隙变化,影响协调输弹的精度,研究协调输弹机构运动磨损问题对提高机构运动可靠性具有重要意义。为了研究协调输弹机构的磨损特性,基于修正Archard磨损模型建立协调输弹机构磨损数学模型并通过实验获得磨损系数;建立协调输弹机构动态响应有限元仿真模型并通过实验数据验证其有效性;利用有限元仿真结合任意朗格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)自适应网格技术实现磨损过程仿真,从而获得协调输弹机构的磨损特性,包括磨损深度与磨损循环次数的关系、最大磨损深度出现的位置等。研究结果表明:磨损开始初期磨损剧烈,在大约350次协调输弹后磨损由剧烈磨损期转而进入平稳期,磨损率下降;随着磨损的继续进行磨损率持续下降,且在整个磨损过程中轴孔接触边缘比其他位置磨损深度更大。
苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(Styrene Ethylene Butylene Styrene,SEBS)嵌段共聚物与白油混合制成的凝胶拥有与弹道明胶类似的性质,且相比于弹道明胶,具有良好的温度稳定性、优异的透明度和耐老化性能。为了研究SEBS凝胶替代弹道明胶进行创伤弹道试验的可行性,对其力学特性进行全面测量。采用万能材料试验机和改进的霍普金森压杆对4种质量分数(15%、20%、25%和30%)SEBS凝胶进行准静态和动态力学特性的测试,研究共聚物含量对凝胶力学性能的影响,并与10%和20%弹道明胶力学性能进行对比,以确定与弹道明胶力学性能最为接近的质量分数。采用5.8mm步枪弹直接侵彻3种质量分数(15%、20%和25%)SEBS凝胶,通过高速摄影机拍摄弹丸运动姿态和靶标内瞬时空腔演化过程,并与侵彻10%质量分数弹道明胶试验结果进行对比。试验结果表明:准静态压缩下10%弹道明胶的应力-应变曲线介于15%和20%SEBS凝胶之间,20%弹道明胶的应力-应变曲线介于20%和25%SEBS凝胶之间,高应变率下20%和30%SEBS凝胶力学特性分别与10%和20%弹道明胶接近;15%SEBS凝胶的最大空腔直径与10%弹道明胶最为接近,但空腔的膨胀和收缩速度高于弹道明胶;所得研究成果可为SEBS凝胶替代弹道明胶作为新的软组织替代物提供数据支撑。
身管武器在使用过程中其内膛镀层会发生剥落现象,缩短身管武器使用寿命,该现象的机理尚未明确。为研究身管武器内膛镀层剥落现象,提出一种相场耦合内聚力模型的数值模拟方法。考虑到相场具有的连续介质力学特性在裂纹扩展模拟中的优越性以及内聚力模型在多相材料界面损伤模拟中的普遍适用性,针对身管武器镀层和基体内部的裂纹扩展行为使用相场进行模拟,而针对基体和镀层界面的损伤使用内聚力模型进行模拟。针对裂纹在界面处发生偏转的现象,开展一条裂纹和两条裂纹发生扩展的有限元仿真,并与试验结果进行对比;研究镀层存在多条裂纹时不同裂纹间距对界面损伤的影响;此外还讨论了相场特征长度对裂纹扩展行为的影响。研究结果表明:当裂纹扩展至基体和镀层界面时会转而沿界面向两侧扩展,最终演化为界面失效;当多条裂纹扩展至界面处时,界面损伤主要发生在多条裂纹之间的区域,最终演化为镀层剥落;裂纹间距对界面的初始损伤和界面损伤发展速度存在影响;新提出的相场耦合内聚力模型的数值模拟方法可以作为研究身管镀层失效机理的计算方法。
针对当前防弹插板在枪弹冲击下的力学响应研究尚有不足,采用键基近场动力学方法和传统拉格朗日方法相结合的方式对5.56mm SS109步枪弹侵彻NIJ Ⅲ级SiC/超高分子量聚乙烯(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)防弹插板这一过程进行数值模拟,并与基于三维数字图像相关法的防弹插板侵彻试验结果对比,验证数值模型的准确性。研究结果表明:弹丸在侵彻防弹插板50μs后速度从810m/s衰减至157.57m/s,防弹插板与弹丸接触的陶瓷片严重碎裂;键基近场动力学方法可以很好地跟踪枪弹冲击陶瓷插板时裂纹的演化过程,SiC陶瓷插板受810m/s的SS109枪弹冲击时产生的放射性径向裂纹在10μs内基本向外扩展完毕,其重度损伤面积在30μs内就基本定型,最终在压力波的复杂作用下产生径向裂纹、环向裂纹以及平行碰撞面的层裂纹;防弹插板背凸量最大值为18.41mm,由于UHMWPE层合板具有正交各向异性,此时背面等效应变以弹着点为中心呈L形分布,发生的位置在鼓包边界约±45°处,等效应力场呈现菱形分布,应力集中发生在菱形的4个角上。
弹丸挤进阶段火炮身管内膛处于高温高压快速挤压摩擦的恶劣环境。针对大口径火炮在弹丸挤进过程中身管内壁所受载荷较大、导致膛线起始部磨损严重的问题,以某大口径浅膛线身管为对象,研究不同内膛结构对身管内壁载荷的影响规律。通过分离式霍普金森压杆实验,构建弹带材料在高温高应变率下的本构关系,利用有限元计算分析了挤进过程中弹带的塑性变形情况、挤进阻力以及身管内壁载荷的变化规律,并分别建立考虑膛线宽度、膛线截面形状以及坡膛锥度等不同内膛结构下的三维热力耦合挤进有限元模型,计算得到不同内膛结构对挤进过程中身管内壁载荷的影响。研究结果表明,对于该型火炮,身管坡膛结构和膛线结构对内壁载荷均有显著影响。首先,坡膛锥度的增大会导致挤进阻力和身管内壁载荷的增大,同时挤进结束的时刻以及挤进阻力和身管内壁载荷达到峰值的时刻也会提前;其次,内壁载荷峰值会随着阳线宽度显著增大,但对导转侧顶部进行倒角可有效降低身管内壁载荷,其峰值在倒圆角后降低了9.87%,倒方角后降低了5.59%。所得研究结果有助于丰富基于身管寿命的身管内膛结构设计方法。
为研究某小口径步枪发射过程中身管膛内的应力场与温度场,建立弹头膛内运动时期弹头/身管相互作用的精细热力耦合有限元模型,其中考虑了温度对身管与被甲材料力学性能的影响以及枪管钢力学性能的各向异性。仿真获得覆铜钢被甲弹头和铜被甲弹头挤进运动规律与身管膛内应力状态变化。研究结果表明:被甲材料的不同对挤进过程有很大影响,钢被甲弹头挤进阻力大于铜被甲,相应地前者膛内应力也大于后者;身管不同轴向位置处应力分布规律不同,坡膛处内膛应力最大值在阳线导转侧,膛口处内膛应力最大值在阴线上。研究结果为优化弹头/枪管匹配提供了支持。
考虑到装填系统轨道输送链具有链节大、负载大、速度大的特殊性,提出一种基于相对坐标法和板单元离散方式的刚柔耦合动力学建模方法。利用邻接体的相对运动关系推导出运动学方程及体坐标与铰坐标的转化关系,建立广义坐标为独立铰坐标的动力学方程。利用有限元方法,基于板单元理论将链节和弹筒离散化,以链节为例建立单个链节的刚柔耦合动力学方程,随后通过刚-柔运动约束形式,利用增广方程形式,建立轨道输送链系统的刚柔耦合动力学方程。基于此方法,建立某弹仓(闭式轨道输送链)轨道输送链和弹筒的刚柔耦合动力学方程,并在不同工况下将基于板单元离散的数值仿真与实验结果进行对比。基于建立的刚柔耦合动力学模型,分析弹仓传动构件支撑刚度、轨道间隙等因素对弹仓系统的影响。研究结果表明:数值仿真结果与实验结果的趋势基本一致;支撑刚度对系统动态响应的影响程度取决于动力系统的结构形式和受力形式;轨道间隙的变化对系统的动态特性具有较大的影响,在工程应用中需要合理控制间隙;上下轨道错位对弹仓动态特性影响较大,需要合理控制加工装配精度。
难以区分后向散射信号和目标回波信号是影响引信探测精度的重要因素。此外,当回波信号处于饱和状态时常规时刻鉴别电路失效。根据烟尘环境下激光探测回波信号的特点,提出一种基于多发多收激光引信的全波形采样时刻鉴别算法,以有效提取目标回波信号,并完成激光测距计时终点的选择。为抑制噪声干扰并保留原始回波信号的主要波形特征,对回波信号进行滤波和阈值截取的预处理,并在预处理后信号的基础上采用特征提取法,以特征信号的形状特征代替原始回波信号的形状特征。为验证算法的可行性,针对激光探测中三类回波信号进行试验。试验结果表明:新算法能够有效识别出三类回波信号,并针对不同的回波信号计算最佳回波返回时刻,有效提高了时刻鉴别的精度。
围绕车载导弹发射平台无依托垂直发射过程,提出一种通过液压执行器主动调节发射筒摆振进而控制弹体出筒姿态的思路,以保证发射安全性和车载导弹发射平台对发射场坪的适应性。考虑发射筒-适配器-弹筒之间的相互作用关系,建立6自由度发射系统动力学模型,并结合液压压力动态方程推导出7阶状态空间方程。为避免高阶非线性系统控制器反步设计存在的“微分爆炸”问题,引入一种基于光滑的非线性滤波器的动态面技术以简化控制器设计。为抑制难以建模因素对发射响应控制的影响,引入时延估计控制方法进行未建模误差和外部扰动的估计和衰减。结合指定时间预设性能控制方法,实现弹体跟踪快速收敛,并满足摆振幅度和角速度的预设指标。通过数学模型和有限元模型的仿真结果比较,验证了新提出的发射动力学模型的正确性。同时,对PID控制器、动态面控制器、动态面和时延估计结合的控制器以及在此基础上加入指定时间预设性能的控制器影响下的发射动态响应结果进行比较。新提出的控制器能够保证弹体出筒时刻弹体角度被约束在0.5 °之内,角速度被约束在1.5°/s之内,其控制性能更优越。
考虑行进间坦克炮控系统受路面颠簸引起的外界扰动和炮控系统工作时火炮俯仰运动不平衡力矩影响,基于第二类Lagrange方法建立行进间坦克炮控系统两轴耦合2自由度动力学模型。针对炮控系统的实际受力和运动状态,建立方位向和高低向驱动系统含有永磁同步电机以及传动机构分别含有齿轮减速箱与滚柱丝杠的行进间坦克炮控系统机电耦合动力学模型。为快速抑制行进间坦克炮控系统内外扰动对目标稳定跟踪的影响,基于非奇异快速终端滑模控制律和线性扩张状态观测器设计具有有限时间收敛特性的行进间坦克稳定跟踪控制器。根据行进间坦克炮控系统对目标的稳定跟踪过程计算炮控系统稳定精度和到位时间,并在不同工况下与传统控制方法进行对比。研究结果表明,新方法响应速度快、抗干扰能力强、稳定精度高,验证了控制器设计的有效性。
