为了研究大口径火炮膛内发射性能的不确定性优化问题,编制了内弹道程序并嵌入ABAQUS有限元软件进行二次开发,构建了膛内发射动力学模型。综合考虑火炮内膛结构参数、弹丸结构参数与发射装药参数等不确定性因素,通过分布参数模拟其随机特性,利用BP神经网络建立了膛内发射动力学模型的代理模型。基于蒙特卡洛模拟得到不确定约束函数的概率分布,以内弹道性能指标构建概率约束函数,以起始扰动的均值与标准差构建不确定目标函数,建立膛内发射性能的随机不确定性优化模型。运用多目标遗传算法进行优化求解,获得了该问题的最优解与不确定参数的合理区间,证明了该方法的有效性。

以某大口径火炮为研究对象,研究该火炮弹-炮-药一体化设计中弹、炮、药参数的更优匹配关系。基于内弹道、外弹道及终点效应3个子学科的内部耦合关系,以弹丸最大初速、火药利用效率、射程及杀伤面积为优化目标,借助Isight集成优化平台,采用非层次型改进二级求解策略,建立了系统学科及某大口径火炮弹-炮-药一体化多学科优化模型。相比于传统的单目标优化方法,该模型充分发挥了各个子学科的自治能力,借助系统学科的统筹协调,避免了优化目标的过度劣化,实现了火炮综合性能的改善。

为了在保证可靠刚度和强度的基础上减轻某迫击炮座钣的质量,对其进行结构优化和轻量化设计。通过HyperWorks有限元软件对迫击炮座钣安装在土壤工况下的刚度和强度进行仿真计算,采用寻找主要受力路径并修改应力集中区域结构的方法,对座钣进行了结构拓扑优化,改进了座钣结构。在此基础上,对座钣的主钣和驻臼进行了尺寸优化,对优化前后的座钣强度、位移和质量进行了对比,结果表明,优化后的座钣不仅减轻了质量,还提高了强度。

为了研究枪管结构对枪管固有频率的影响,针对枪管尤其是狙击枪管设计中约束长度、枪管外形、膛口装置以及膛线等不同结构,建立了相应的三维模型。采用以六面体为主的网格对枪管进行了网格划分,采用有限元方法对枪管进行了模态分析。计算获得了不同结构枪管的固有频率; 通过比较,得到了不同枪管结构对固有频率的影响。分析结果表明:枪管尾部螺纹长度越长,枪口振动幅度越低; 相同质量枪管,锥形外形枪管刚度最好; 加装膛口装置对枪管刚度和振动特性有不利影响。

为了准确描述坦克行进间的火炮稳定系统,采用多体动力学软件RecurDyn和液压系统仿真软件AMESim,建立了基于多体动力学与液压系统控制的联合仿真模型。基于多体动力学软件建立了坦克行进间多体动力学模型,利用液压系统仿真软件,对垂向稳定器进行液压控制系统建模,通过接口模块完成了坦克行进间稳定性模型的联合仿真,对比了单侧布置和对称布置垂向稳定器方案。仿真结果表明:该文建立的联合仿真模型能够准确地对坦克稳定系统进行仿真,且满足坦克稳定系统稳定精度的要求; 对称布置方案可以有效提高稳定效果,为提高坦克高机动条件下的稳定性研究提供了一定的参考。

为研究超声速流场中子母弹在抛撒子弹的过程中子弹的姿态运动,在用动网格技术模拟子弹的运动过程中,利用嵌套网格连接背景网格和运动的部件网格,求解k-ω湍流输运方程,同时耦合了6DOF运动方程。对弹舱靠前和弹舱靠后2种子母弹结构进行了数值模拟,结果表明:弹舱位于前部,子弹在弹射过程中受到母弹激波的影响,姿态变化较大; 弹舱位于后部,中间位置对称分布的子弹在抛撒过程中由于受到子弹激波和不对称压力场的作用,姿态会发生不对称的变化。

为了研究固定鸭舵简控火箭弹舵翼气动干扰特性,在验证数值方法适用性和可靠性的基础上,采用数值模拟方法对该弹气动特性进行仿真分析。计算得到不同弹长和不同舵翼相对夹角(鸭舵组件反旋角)工况下由鸭舵和尾翼产生的空气动力参数,仿真获得火箭弹外流场压力分布。研究分析了弹体长径比和舵翼相对夹角对鸭舵和尾翼气动特性的影响规律。结果表明:鸭舵与尾翼之间的气动干扰受弹体长径比影响,当弹体长径比达到一定数值时鸭舵对尾翼的气动干扰消失,且这种舵翼气动干扰特性对不同舵翼相对夹角情况同样适用; 研究结果可用于简化固定鸭舵火箭弹气动特性的研究方法,提高火箭弹气动外形设计效率。

在制导炸弹半实物仿真试验中经常发现,同一发制导炸弹多次仿真的俯仰角差别较大,同一批次制导炸弹投弹试验的遥测俯仰角与仿真俯仰角差别也较大,但是俯仰角的收敛趋势均一致,实测脱靶量与仿真脱靶量都合格,且具有一致性。为了分析出现上述现象的原因,基于协方差分析描述函数法(CADFT),建立了制导炸弹半实物仿真系统的误差传播理论,计算了仿真姿态角和姿态角速度的误差。分析了仿真姿态角和姿态角速度的误差对仿真结果的影响。结果表明,在仿真系统各种误差中,气动力和气动力矩误差是主要误差,是引起仿真俯仰角差别的重要原因; 姿态角的动态验模方法不适用于制导炸弹仿真模型,而脱靶量的静态验模方法适用于制导炸弹仿真模型。

为解决多约束下制导炮弹的精确制导问题,采用带有相对距离权函数的最优滑模末制导律,将权函数引入到最优制导律中,通过改变制导炮弹的运动轨迹、运动时间,进而增强制导精度。针对单权函数难以同时满足制导精度与导引头视线角、过载等约束的问题,采用不同权函数的分段加权方法解决加权最优末制导引起的制导问题。结合滑模变结构控制理论,设计分段加权最优滑模末制导律,增强制导系统的抗干扰能力。仿真验证结果表明,该末制导律既能解决过载、导引头视线角、落角等多约束情况下的精确制导问题,同时又具有一定的鲁棒性。

为了分析射程检验理论中存在的缺陷,根据系统误差与射程真值的关系,推导了系统误差在检验统计量中的传递方式,得到了检验统计量中存在的系统误差的干扰项,建立了包含误差干扰的统计量计算式。计算结果表明,样本量越大则系统误差干扰越大,增大样本量能引起检验结论变为拒绝原假设。在计算多种样本量、多种系统误差幅度的抽样结果的检验统计量值的基础上进行对比分析,结果表明:样本量越大则系统误差产生的干扰越强; 假设检验仅能在样本量较小的时候谨慎应用,并且在应用中必须关注系统误差的幅度及其产生的干扰的强度。

为解决新概念冲压加速器加速过程中的不启动问题,提出了在加速管内进行分层充气的概念,利用斜激波与分层可燃气体界面相互作用来实现装置的正常启动。采用高精度数值模拟的方法研究了这一相互作用的过程,考察了不同来流速度(斜激波强度)和可燃预混气体的充填量对该过程的影响,提出了相互作用过程引发着火燃烧的时间尺度条件,估算了不同来流速度下的推力性能。研究结果表明:较大的来流速度和更多的可燃预混气体充填量有利于着火的发生; 着火是否发生受化学反应和分层气体界面不稳定的双重影响,当化学反应延迟时间尺度小于流动时间尺度时,可以发生着火燃烧; 燃烧后的流场表现为爆轰波和非预混火焰界面共同存在的特殊模式; 在较大的来流速度下,燃烧场的推力性能更高、更稳定。

在自行设计制作的实验装置上,用高速摄影机观察了超空泡射弹以57°～80°攻角倾斜地冲击水面及出水过程的流场,分析研究了相关的物理参数。实验结果表明,随着超空泡射弹接近水面,倾斜运动的射弹超空泡的头部形状出现了向水面的偏斜,即关于圆柱形物体轴线不对称; 数值计算结果证实了这种偏斜。分析结果表明,该现象是空泡下部压力大于上部压力造成的。进行了水平超空泡射弹和水面相互作用(90°攻角)的实验,发现了空泡向水面的偏斜和水面的抬升,先导表面波的形成,在自由面上方生成的水鳍及其破裂,自然超空泡向通气超空泡的转换等。基于Logvinovich的半经验公式,比较了测得的空泡形状,结果表明,在弹体头部附近空泡形状出现偏斜的现象。

为研究塑料粘接炸药(PBX炸药)在低压长脉冲作用下的响应特性,采用大落锤试验的方法对壳体约束下的炸药样品进行低速撞击加载; 采用薄膜式PVDF对炸药试样顶部和底部的压力-时间曲线进行测量,通过壳体外表面的应变片测试壳体的环向和轴向应变,同时采用高速相机捕捉炸药在撞击作用下的反应发光现象; 采用LS-DYNA非线性有限元软件开展数值模拟,研究大落锤冲击载荷作用下PBX炸药的动态响应特性。结果表明,落锤撞击速度为3 m/s时,炸药受撞击面的峰值压力约为100 MPa,炸药不发生反应; 落锤撞击速度为5 m/s时,炸药受撞击面的峰值压力为200 MPa,炸药发生明显的化学反应; 有限元计算结果与试验测试结果具有较高的吻合度,可以很好地模拟炸药在低压长脉冲冲击下的力学响应特性。

为研究炸药中硬脂酸质量分数对燃烧转爆轰的影响,设计了一种传爆装置,在不同温度下对含有不同质量分数硬脂酸的钝黑-5炸药进行传爆试验,收集试验数据并进行分析。试验结果表明:随着温度的降低,低温下钝黑-5炸药燃烧转爆轰后传爆可靠性变差。当钝黑-5炸药中硬脂酸质量分数在1.0%～1.2%时,传爆装置能够可靠传爆; 当硬脂酸质量分数大于1.2%时,其燃烧转爆轰后的输出威力随着硬脂酸质量分数的增加而降低,不能进行有效传爆。

为测量发射药颗粒间的摩擦系数并探究其对装填密度的影响,以表面涂有石墨的发射药颗粒为研究对象,采用传统的斜面仪来测量静摩擦系数; 对于滚动摩擦系数的测定,基于离散单元法,模拟发射药颗粒堆积过程,得到模拟堆积角与滚动摩擦系数间的线性拟合方程,再基于实验所测堆积角进行参数标定获取参数值,二次拟合结果说明该参数测定方法可行。模拟结果表明,堆积角随着滚动摩擦系数的增大而增大。通过模块装填模拟,探究摩擦系数对装填密度的影响,结果表明,随着摩擦系数的增大,模块所装发射药的颗粒数越小,装填密度越小,说明摩擦系数对模块装填密度的影响是一个不可忽略的因素。

为研究起爆方式对周向多爆炸成型弹丸(MEFP)战斗部毁伤元成型的影响,针对5层周向MEFP战斗部结构,利用Ls-dyna软件数值研究了单点起爆下起爆点高度以及多点起爆下起爆点数量、起爆同步误差对MEFP毁伤元速度和飞散角的影响。结果表明:单点起爆条件下,随着起爆点高度的增加,毁伤元的总散布角度逐渐增大; 当起爆点位于战斗部轴线中心时毁伤元总散布角度达到最大,各层MEFP毁伤元速度差达到最小; 装药端部MEFP成型过程受稀疏波影响较严重,导致装药端部毁伤元速度较低; 采用中轴线多点起爆对端部毁伤元速度提升效果不明显,但能大幅度提升内侧3层MEFP的速度; 对口径大于48 mm的周向MEFP战斗部而言,500 ns以内的起爆同步误差不会对MEFP毁伤元的速度和飞散角产生明显影响,但起爆同步误差的存在使得MEFP成型更加不对称。