一种坦克行进间发射的不确定性分析方法

技术领域

本发明涉及坦克的设计和控制技术，尤其是坦克的动力学问题分析。

背景技术

坦克作为一种能够自主行驶，并具有一定防护能力和较强火力的武器系统，其地位和作用在现代战争中日益突出。坦克作为当前陆战装甲车辆的主力，有着强大的直射火力、越野机动作战以及坚固防护能力，主要用于与敌方坦克和其它装甲车辆作战，也可以压制、消灭反坦克武器，摧毁野战工事，歼灭有生力量。随着科学技术的不断发展，坦克行进间射击精度受到越来越多的关注，以追求更好的火力打击效能。

长期以来，对于运动机构的动力学问题一般主要用结合工程实际的理论计算及试验验证的方法进行研究。这种传统方法需要依托于巨大的试验计算量，单纯依赖锻炼炮手的瞄准能力，无法对于坦克结构设计及精度提高提供合理可行的指导意见。

随着计算机虚拟样机技术的发展，运用多体动力学仿真软件分析复杂运动机构动力学问题已成为常用且可靠的途径。但是在坦克行进间发射过程中，存在大量的不确定性因素，对于坦克这类复杂的强非线性多体系统，微小的参数变化可能导致响应的巨大变化。此时常用的确定性仿真计算是不可行的。全局灵敏度方法(重要性测度)被用来衡量输入变量不确定性对工程设计中所感兴趣的输出性能统计特征的贡献程度。但是实际操作过程中存在如下不足：

一是不仅要求动力学分析过程要进行复杂的约束设置、网格设置和计算需求设置，还要在结果后处理过程中手动提取相关单元结点的力学响应量，这些操作是相对繁杂且容易出错的。

二是灵敏度分析时需要输出变量对输入变量的极限状态函数，需要用具体方程描述它们的关系。由于坦克系统是一个复杂的运动机构，相关的不确定参数与响应之间的对应关系无法确定。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种行进间坦克的不确定性分析方法，首先建立行进间坦克系统的刚柔耦合发射动力学模型；然后建立相应不确定参数的参数化模型，通过这种计算方法获得不同参数下的炮口响应；最后创建以炮口响应为优化指标的不确定性分析方法，通过这种优化方法获得的总体参数能够有效地减小炮口扰动，从而提高射击精度。本发明设计的坦克不确定性分析方法，对于复杂运动机构的不确定性分析及优化问题具有普适性，能够在兵器科学领域得到更为广泛的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)创建坦克系统不确定设计变量的初始样本空间；

(2)对坦克的行进间发射过程进行不确定性分析；

(3)建立基于发射动力学的坦克刚柔耦合参数化模型，将坦克身管在Patran中柔性化导入Adams中，对设计变量进行参数化；

(4)在Adams中进行多体动力学仿真，对坦克系统进行一次行进间发射，计算得到炮口垂直、水平方向的角位移，将这两个方向的炮口角位移作为目标响应；

(5)将不确定设计变量的初始样本空间代入步骤(4)的多体动力学仿真中，获得炮口目标响应区间；初始样本空间和目标响应区间共同构成行进间坦克隐式问题的初始Kriging代理模型；

(6)利用初始Kriging代理模型进行可靠性灵敏度计算。

所述的不确定设计变量包括炮尾质量、起落部分质量、后坐质心x方向坐标、后坐质心y方向坐标、起落部分x方向坐标、起落部分y方向坐标、回转中心x方向坐标、回转中心y方向坐标、耳轴位置x方向坐标、耳轴位置y方向坐标、高低机等效刚度和高低机等效阻尼。

所述的步骤(2)利用区间模型描述不确定变量的分布类型，取变量初始值的上下5％作为变化区间。

所述的坦克刚柔耦合参数化模型构建过程如下：

(3a)建立坦克的三维几何模型；

(3b)在多体动力学软件中对建立的三维几何模型进行修改，在坦克部件上施加运动副，包括固定副、旋转副和扭簧等弹性连接，模拟行进间坦克各部件之间的运动关系；

(3c)编写三维随机路面不平度程序，得到路面文件；

(3d)分析坦克系统的载荷信息，在摇架以及耳轴上施加火药载荷，输入实验得到的力元载荷数据，拟合样条曲线，施加在轴向力上；

(3e)在主动轮的旋转副上施加转速驱动，实现履带的行进运动；

(3f)进行动力学仿真参数设置，使坦克实现平稳行驶和连续发射的工作需求；

(3g)导出确定性仿真计算结果文件。

所述的步骤(5)从初始样本空间中抽取若干个初始样本点，代入建立的坦克刚柔耦合参数化模型进行计算，得到初始代理模型。

所述的步骤(5)从初始样本空间中利用拉丁超立方抽样方法抽取10000个初始样本点，代入建立的坦克刚柔耦合参数化模型进行计算，得到初始代理模型。

所述的可靠性灵敏度计算包括以下过程：

(6a)设置可靠性分析收敛准则；

(6b)利用自适应学习函数从样本空间中挑选符合极限状态函数要求的样本点形成当前样本集，以更新Kriging代理模型直到满足设定的收敛条件；

(6c)将样本空间中的所有样本代入满足收敛条件的Kriging代理模型中，最终得到响应量样本空间；

(6d)对行进间坦克射击问题进行失效模式分析；

(6e)将响应量样本空间代入极限状态函数，计算失效样本点数，得到失效概率，利用矩独立全局灵敏度方法进行灵敏度分析。

所述的步骤(6a)设定收敛条件为代理模型拟合的输出响应与仿真结果对比误差不超过0.01mm。

所述的步骤(6d)将炮口垂直角位移>3.1mrad、炮口水平角位移>2.49mrad作为射击精度的失效判据。

本发明的有益效果是：基于发射动力学对行进间坦克进行确定性动力学仿真，采用可靠性分析方法，分析随机参数的不确定性，为有效提升坦克行进间的射击精度提供设计依据。

本发明整合和简化了一套适用于坦克等复杂机构系统的不确定参数的分析方案，该方案包括刚柔耦合多体动力学建模准则及基于ALK代理模型的可靠性分析流程，利用可靠性的智能算法能够解决小样本影响分析带来的偶然性。

本发明搭建的不确定性联合仿真平台解决了现有多体动力学分析软件不能实现有效抽样而带来的试验设计的不足，在MATLAB中进行抽样再调用Adams仿真，得到的仿真结果再代入MATLAB拟合代理模型，通过代理模型求解复杂机构的隐式响应问题，最后用全局灵敏度方法表征坦克系统各设计变量的不确定性对坦克发射过程的炮口振动响应的贡献程度。

本发明还能够提供基于该方法的软件设计方案，软件主体为“通用动力学可靠性分析平台”，可以实现MATLAB-Adams联合仿真，从而在一个界面实现基于ALK代理模型的行进间坦克不确定性分析。

本发明提供的不确定性分析方案可以为复杂运动机构的不确定性问题提供包括代理模型、主动学习优化模型以及进行反复简化运算的技术方案，适用于评价火炮系统炮口扰动的不确定性分析，对于装甲车辆的火炮发射精度问题具有普适性，能够广泛应用于火炮打击效能的研究中，提高炮弹命中概率。

附图说明

图1为本发明的坦克结构示意图；

图2为本发明的行进间Adams三维路面构建流程图；

图3为本发明的行进间坦克发射的结构参数不确定性计算结果图；

图4为本发明的主体方案流程图；

图5为本发明的基础内容一流程图；

图6为本发明的基础内容二流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提出了一种行进间坦克发射过程的不确定性分析方法。基于发射动力学对行进间坦克进行确定性动力学仿真，采用可靠性分析方法，分析随机参数的不确定性，然后以炮口响应为优化目标进行优化。本发明能够有效提升坦克行进间的射击精度。

本发明的技术思路包括：

(1)编制行进间坦克发射载荷谱，建立三维随机路面不平度的标准路面，利用不同等级的路面进行履带式坦克行驶速度及路面状况影响分析。

(2)对坦克系统行进间发射过程进行不确定性分析，得到模型输入变量的不确定类型以及不确定性的范围，整合复杂机构的可靠性灵敏度计算算法，搭建ADAMS-MATLAB联合仿真平台，解决抽样输入的繁琐工作。

(3)建立双层嵌套不确定性优化算方法，通过这种优化方法可以得到最优的设计目标，有效提高了坦克行进间发射的射击精度，为装甲车辆的武器发射精度优化提供技术参考。

本发明提出的一种行进间坦克的不确定性分析方法。由一个主体方案以及两个基础内容共同构成。

1.主体方案

如图4所示，搭建基于代理模型的机构不确定性分析平台，具体步骤如下：

(1)创建坦克系统不确定设计变量的初始样本空间，本发明所用的16个不确定设计变量包括炮尾质量、起落部分质量、后坐质心x方向坐标、后坐质心y方向坐标、起落部分x方向坐标、起落部分y方向坐标、回转中心x方向坐标、回转中心y方向坐标、耳轴位置x方向坐标、耳轴位置y方向坐标、高低机等效刚度、高低机等效阻尼；

(2)对履带式坦克的行进间发射过程进行不确定性分析，由于坦克等复杂运动机构的不确定参数不方便通过大量试验确定其参数类型，故利用区间模型描述不确定变量的分布类型，这种方法只需知道变量的上下限，取变量初始值的上下5％作为变化区间；

(3)建立基于发射动力学的坦克刚柔耦合参数化模型，建模过程见基础内容一；将坦克身管在Patran中柔性化导入Adams中，对设计变量进行参数化，从而在cmd模型信息文件中可以进行模型修改操作；

(4)在Adams中进行多体动力学仿真，对坦克系统进行一次行进间发射，计算得到炮口垂直、水平方向的角位移，将这两个方向的炮口角位移作为目标响应；

(5)将不确定设计变量的初始样本空间代入(4)，通过修改对应的参数值，计算获得炮口目标响应区间。初始样本空间和目标响应区间共同构成行进间坦克隐式问题的初始Kriging代理模型。

(6)利用这个代理模型进行可靠性灵敏度计算，可靠性计算流程可见基础内容二。

2.基础内容一

如图5所示，行进间坦克刚柔耦合多体动力学建模流程的具体步骤如下：

(1)基于运动学、刚体动力学、柔体动力学建立坦克的三维几何模型；

(2)在多体动力学软件中对建立的三维几何模型进行修改，删除微小零件、开孔、倒角和螺栓的连接件。在坦克部件上施加固定副(Fixed)、旋转副(Revolute)，扭簧等弹性连接(Rotational Spring)等运动副，模拟行进间坦克各部件之间的运动关系；

(3)利用路面等级标准，编写三维随机路面不平度程序，得到路面文件；

(4)分析坦克系统的载荷信息，在摇架以及耳轴上施加火药载荷，输入实验得到的力元载荷数据，用函数AKISPL(time,0,1,0)拟合样条曲线，施加在轴向力(Axial)上；

(5)在主动轮的旋转副上施加(Motion)转速驱动step(time,0,0,0.5,500d)，实现履带的高速行进运动；

(6)进行动力学仿真参数设置，仿真时间为0.3s，分析步(step)为1000步，模型所有单位制采用Newton-Kilogram-Millimeter-Second，使坦克实现平稳行驶和连续发射的工作需求；

(7)导出确定性仿真计算结果文件。

3.基础内容二

如图6所示，基于ALK代理模型的可靠性分析流程的具体步骤如下：

(1)从16个不确定设计变量初始值的上下5％作为区间上下限构成的初始样本空间中，利用拉丁超立方抽样方法抽取N个(N的取值没有要求，只要可以满足代理模型精度就行)初始样本点，代入前面建立的刚柔耦合模型进行计算，得到主体方案中的初始代理模型，样本点N的个数设置为10000；

(2)设置可靠性分析收敛准则，收敛条件为代理模型拟合的输出响应与仿真结果对比误差不超过0.01mm；

(3)利用自适应学习函数(U函数)从样本空间中挑选符合极限状态函数要求的样本点形成当前样本集，以更新Kriging模型直到满足预先设定的收敛条件；

(4)将样本空间中的所有样本代入满足收敛条件的Kriging模型中，最终得到响应量样本空间；

(5)对行进间坦克射击问题进行失效模式分析，将炮口垂直角位移>3.1mrad、炮口水平角位移>2.49mrad作为射击精度的失效判据；

(6)将响应量样本空间代入极限状态函数，计算失效样本点数，得到失效概率，最后利用矩独立全局灵敏度方法进行灵敏度分析。

下面将具体参照行进间坦克实例和具体实施方式进行更加详尽地说明，以使工程人员可以更加便捷的使用本发明，并推广到其他复杂运动机构以及火炮武器中。本实施例采用的模型为某型坦克的简化三维模型。

本实施例的具体实施方式如下：

(1)搭建应用于行进间坦克发射隐式问题的初始代理模型。在Matlab中调用Kriging工具箱；

(2)利用Kriging工具箱创建坦克行进间发射设计参量的初始样本空间。包括16个设计参量如图3所示。利用拉丁超立方抽样方法，抽取包含50组尺寸设计参量的样本空间，并抽取包含10万组尺寸设计参量的总样本空间；

(3)参照国际中的坦克型号模型，在SolidWorks等CAD软件中进行CAD建模，得到初始坦克三维模型，对坦克进行结构分析，结构如图1所示；

(4)为了减少动力学模型的连接关系，提高运算速度，在ANSYS-SpaceClaim中对坦克模型进行合理的简化，简化微小零件、开孔、倒角和螺栓的连接件，根据机构动作、发射过程与受力因素，将坦克炮分为后坐、起落和炮塔三大部分，基于结构细节和运动对仿真过程的影响，对模型进行简化；

(5)将上述简化后的坦克模型导入Adams动力学软件中，对坦克系统各部分设置材料属性，选取结构钢(steel)为部件材料；

(6)履带板外表面与地面相互作用根据不同路面(土壤)性质定义为刚性，履带板内表面与托带轮、负重轮、诱导轮、主动轮均为刚性接触，托带轮和主动轮通过旋转副固定在车体上，其中在两侧主动轮转动中心建立驱动力矩以模拟发动机的输出转矩。悬架的一端与负重轮为旋转副约束，另一端与车体为旋转副约束，并建立等效弹簧模拟悬架的刚度阻尼特性。张紧装置与车体固定连接并与诱导轮定义旋转副约束；

(7)坦克火炮部分中，炮塔与车体的关系通过内外座圈固定，方向机主齿轮与回转轴承齿圈啮合关系通过在回转中心建立等效扭簧模拟。耳轴与摇架固定连接、耳轴轴承与炮塔固定连接，通过建立两者之间的接触碰撞定义摇架与炮塔相对运动关系。前、后衬瓦通过固定副与摇架连接。弹性身管圆柱段与摇架前、后衬瓦为刚-柔接触，炮尾通过身管后端界面节点与身管固定连接；

(8)根据我国GB/T 7032-2005提出的功率谱密度函数拟合公式，基于谐波叠加法，利用MATLAB编写路面谱程序，生成可以供Adams直接调用的路面文件。三维随机不平路面的构建流程如图2所示；

(9)将身管x_t文件导入MSC_Patran中进行柔性化，网格采用十节点四面体单元，根据身管上已施加的约束，在柔性身管上建立MPC以及刚性区域，输出MNF柔性化文件；

(10)在主动轮上施加转速驱动step(time,0,0,0.5,500d)，实现履带的高速行进运动；

(11)在摇架以及耳轴上施加火药载荷，输入实验得到的力元载荷，用函数AKISPL(time,0,1,0)拟合样条曲线，施加在轴向力(Axial)上；

(12)在Adams中进行确定性刚柔耦合发射动力学仿真，进行响应参数设置MOD(AZ(1,2),360d)，输出需要的炮口振动响应(角位移)，同时导出批处理bat文件；

(13)对于本设计所研究的坦克模型来说，一般所选取参数的分布类型都无法确定，因此用凸集和区间描述不确定变量，本设计采用的不确定参数变量值如表1所示；

表1不确定参数变量值

(14)依次利用初始样本空间的参数，代入Adams中仿真计算得到初始炮口响应空间。根据之前导出的bat批处理命令文件，将其作为实现自动进行动力学分析的计算机语言命令工具，仿真结束后，依次打印炮口关键点的角位移信息到信息文件；

(15)将设计参量的初始样本空间与获得的目标响应回代到初始代理模型中，更新代理模型，使代理模型能更好地拟合隐式关系；

(16)判断代理模型精度是否符合自主学习精度要求，若不符合则循环进行(14)步；

(17)得到精度有效的代理模型，利用此代理模型得到响应量样本空间；

(18)将响应量样本空间代入功能函数，计算失效样本点数，得到失效概率，最后利用矩独立全局灵敏度分析方法进行可靠性灵敏度分析，得到坦克行进间发射时系统射击精度的失效概率和各设计变量的灵敏度大小；

(19)最后计算得到的失效概率及灵敏度结果如图3所示。