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摘 要：针对火炮装备原理课程概念性强，理论性强，难点多的特点，在教学过程中引入虚拟样机技术，建立火炮装备仿真模型，直观清晰地展现装备原理特性，使学员更容易理解掌握理论知识，提高教学效果。
關键词：火炮装备 原理课程 虚拟样机技术
一、火炮装备原理课程特点
火炮装备原理课程主要讲授火炮系统炮身、反后坐装置、自动机等主要部组件结构组成及工作原理。课程涉及弹塑性力学、流体力学、气体动力学、分析力学等相关知识，概念性强，理论性强，难点很多。突出的特点是符号多、公式多、方程复杂，对学员数学和力学方面的知识储备要求很高[1]。以往教学过程中，通常是推导方程和公式，然后进行一些结合实际的定性分析。这种教学方式，一方面方程公式比较复杂，推导计算较为困难，另一方面不便于定量、直观分析装备结构及性能情况。
二、 虚拟样机技术
虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）是当前机电液设计、制造领域的一门新技术，涉及多体系统动力学、流体力学、自动控制、计算方法与软件工程多学科专业，能够基于计算机软件建立产品系统三维实体模型和力学模型，进行系统性能分析和评估，从而为物理样机设计与制造提供科学合理的依据。
虚拟样机分析软件不仅可以进行机械系统运动学和动力学分析，还包含以下技术：
（1）几何形体的计算机辅助设计（CAD）技术。用于机械系统的几何实体建模。
（2）有限元分析（FEA）技术。采用有限元法，分析机械系统各单元节点在一定载荷、边界条件下的应力强度情况。
（3）控制系统设计与分析技术。运用控制理论，进行机械系统的动力学仿真分析。
（4）优化分析技术。通过优化分析，确定机械系统最佳设计结构参数，获得最优的综合性能。
三、 虚拟样机技术应用案例
1. 基于有限元的身管温升仿真分析
火炮射击时，膛内火药燃烧，最大膛压可高达700Mpa，最高温度可达到3000℃。火炮连续射击时，热量不断由火药燃气传递到内壁，且在身管壁内积累，致使身管内壁温度快速上升。当内壁温度达到一定值后，身管内膛的烧蚀磨损率陡然升高，加快身管内膛的烧蚀磨损进程，会使得火炮的弹道性能不断下降，最终导致身管寿命的提前终结[2]。
针对身管在射击过程中的温升情况，可结合有限元软件ANSYS，建立身管的有限元仿真模型，如图1所示，开展仿真讲解。
根据火炮射速不同，分为3种射击模式进行仿真分析。仿真结果如表1所示。
由表1可看出，急速射情况下，身管内外壁均最高;混合射击模式次之，持续射击模式温度最低。因此为防止身管温度过高，保证身管使用寿命，需要严格按照射击规范中所规定的发射速度进行射击。
2. 基于多体动力学的火炮系统后坐运动仿真分析
火炮系统在后坐过程中，受到炮膛合力Fpt、复进机力Ff、制退机液压阻力φ0、反后坐装置紧塞具摩擦力F、摇架摩擦力FT等作用[3， 4]。后坐运动方程为
式中，mh为后坐部分质量;x为后坐位移;为射角。
火炮系统受力较为复杂，通过解算方程分析后坐运动较为困难。可基于动力学仿真软件ADAMS，建立火炮系统的动力学仿真模型，如图2所示。开展仿真讲解。
基于仿真模型，可以仿真分析火炮的后座运动情况，载荷变化情况。同时也可以分析出炮口振动、火炮射击稳定性以及火炮后座运动的影响因素，如装药量、温度、射角等。后坐位移曲线如图3所示。
3. 基于流体力学的反后坐装置流场仿真分析
反后坐装置在后坐过程起到消耗及储存后坐能量，且推动后坐部分恢复原位的重要作用。在后坐能量消耗方面，制退机液压阻力占到70%。驻退机腔室结构复杂，液体在后坐时，最大流动速度达到100m/s以上。针对制退机在后坐时的腔室液体流动、液体压力等，可结合流体力学软件Fluent，建立仿真计算模型，进行仿真讲解。
制退机内部零部件结构复杂，尺寸较小，首先在保证数值模拟精度的前提下，对其进行简化，保持主要尺寸和特征不变;然后利用Fluent前处理软件Gambit对计算区域进行划分网格，设置边界条件，建立仿真模型[5]。
基于仿真模型，可以仿真分析出制退机内各腔室的压力变化情况，液体流速情况。不同时刻活塞区域压力云图如图4所示。根据腔室内流场情况，可以计算出制退机液压阻力，同时也可以分析出制退机内部流速、压力较大的位置，为装备维护保障提供参考。
结语
根据火炮装备原理课程特点，引入虚拟样机技术，结合研究对象，建立火炮系统及部组件的多体动力学、流体力学、有限元等不同类型的仿真模型，仿真分析在不同工况下的受力、应力、后坐运动，以及炮口振动、射击稳定性等。较于传统教学方式的方程公式推导，更直观清晰地展现装备原理特性，更容易理解掌握理论知识，对于提高授课质量，达到培养目标具有重要意义。
参考文献
[1]杜中华，赵建新，《火炮与自动武器原理》算例教学法实践[J].科技视界，2019（2）：124-126.
[2]杨艳峰，郑坚，狄长春等.基于ANSYS火炮身管传热仿真[J].火力指挥与控制，2013：38（8）：134-136.
[3]殷军辉.基于弹炮耦合模型与虚拟样机技术的弹丸起始扰动优化研究[D].石家庄：军械工程学院，2011.
[4]韩国柱，杜中华，赵建新.火炮与自动武器原理[M].北京：兵器工业出版社，2017.
作者简介
杨玉良（1987—），男，陆军工程大学石家庄校区讲师，研究方向为武器系统仿真与虚拟样机技术。