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引信过载随机过程计算机模拟

发布时间:2019-06-19 13:03 来源:未知 编辑:admin

  引信过载随机过程计算机模拟_交通运输_工程科技_专业资料。第4 卷第5 0 期 20 0 4年 5月 机 械 工 程 学 报 CHI S J NE E OUR NALF E O M CHANI CAL E NGI E NG N

  第4 卷第5 0 期 20 0 4年 5月 机 械 工 程 学 报 CHI S J NE E OUR NALF E O M CHANI CAL E NGI E NG NE RI Vo . 0 14 Ma y 25 N 0 o 0 . 4 引信过载随机过程计算机模拟’ 王亚斌 刘明杰 谭惠民 ( 北京理工大学机电工程学院 北京 108) 001 摘要:在对引信发射过载随机过程进行详细研究的基础上,根据模糊理论中信息扩散的原理提出了一种模拟任意 温度下引信发射过载的算法。为了使计算出的理论过载更接近于实际发射过载, 采用了白噪声加嗓的方法,最后 通过动态测试试验计算出弹体引信部位对发射过载的响应, 从而实现了对引信实际发射过载的模拟,并基于这种 思想设计了引信过载随机过程计算机模拟程序。为了验证算法及程序的有效性, 对某榴弹炮发射时引信所受的过 载进行了模拟,结果与实测引信发射过载基本吻合,达到了研究的目的。 关键词:引信 膛压 过载 中图分类号:T40 J . 36 前言 引信在勤务处理和发射过程中受到的环境载荷 是复杂多样的,且这些载荷大多具有明显的随机过 程性质, 用随机过程的 必须 有关理论进行分析 [ 研究 1 1 由于绝大多数的环境载荷属于非平稳随机过程,目 前对非平稳随机过程尚无完善的分析方法,从而给 这方面的研究工作造成很大的困难。从实际应用的 角度出发,主要针对引 信发射环境的过载处理这一 问 题给出了满足工程要求的计算机模拟方法。 引信发射过载是引信部位在弹丸发射时所受的 过载,不等同于弹丸过载。它不是一个连续过程, 有很强的干扰存在, 甚至在有些时候出现反向过载。 由于引信发射过载的这种特性,将可能导致某些部 度。因此,需要通过一种模糊处理方法,由高温、常 温和低温3 条膛压曲 线得到在任意温度下的 膛压值。 温度的论域表示为卜 ( -) 在论域 t -, , 上划 分出3 个模糊集,分别为高温集t h ,常温集t和低 . 温集t对于论域t 任一元素可以 i 。 中的 定义其隶属度 构成隶属函数。根据模糊理论,此时,温度隶属函 数的自 变量为温度, 值域为[1 针对高温、常温 [] 0 。 , 和低温 3个模糊集,相应的隶属函数分别表示为 ut Ut 11 h,和二)a ( . (2 ) ( t1 ) 件( 如:离心子和后坐销等) 的运动特性与利用常规 连续过载作为引信工作设计依据时有差异。如可能 引起某些机构不能以正常的时序运动,引起引信膛 炸和瞎火等现象。因而如果能够对引信的理论发射 过载进行处理,使得处理后的过载特性能够更加真 实地逼近试验过载,进而将其作为引信机构计算机 仿真的过载输入曲 线,无疑对引信机构进行计算机 仿真具有重要的意义。 针对以 上问 题提出了 建立引信 过载随机过程的 理论方法和计算机实现的流程。 目 前尚未形成一套客观的评定隶属函数的方 法。一般是靠经验,从实践效果中反馈,不断改善 隶属函 数,直到符合要求为止。在尚未知晓温度对 膛压影响的先验知识的 情况下,不妨先设定一个隶 属函数进行研究,随后逐步完善该隶属函数。 由 于可以获得高温、常温和低温3 个温度下的 膛压曲 线,按信息扩散的观点,可将这 3个样本作 为信息 扩散的 基点,即 -0 对于低温模糊集 t 认为 4 ℃ 1 的隶属度为 1 1 ℃ , 对于常 5 温模糊集 t的 m 隶属度为 1 5 ℃对于高 , 0 温模糊集t h 的隶属度为t 采用线性 o 隶属函数, 个温度模糊集的 3 隶属函 数如下所示。 高温隶属函数为 u5 .5 “11 (1 t( 1t 、- = I (1 常温隶属函数为 t 5 ) 0℃ 1 0<t 0℃ 5 <5 C ( 1 ) 1 弹丸膛压的加噪处理 通常,引信设计者可获得高温、常温和低温 3 条膛压曲线。实际发射时环境温度可能不是标准温 . 装备 研基 助 ( 4 0 )03 1收 初稿 2 31 武器 预 金资 项目5 5 1 , 0 8 到 . 01 8 14 02 0 7 0 2 收到修改稿 其他 t 0 一一 几’ l” 3, 1 5 . “ u50 m (( tt )+ = 1 4 ) t o 其他 1 0 <5 5 C<t 0℃ 一0 <1 0 0<t 5 C C ( ) 2 万方数据 2 0 年 5月 04 王亚斌等:引信过载随机过程计算机模拟 低温 隶属函数为 十 1 一“” _一 5‘ 1 5 1 一 0 t 1 0 C< < 5℃ t - 0℃ < 4 3 弹体响应的影响 () 3 u( =十 , t ) 其他 将高温、常温和低温的膛压理论值分别表述为 在刚体力学的假设前提条件下,上述模拟计算 结果便可应用于引信机构的计算机仿真。但是大量 的试验研究表明,对于弹体内的引信,在研究引信 零部件所受载荷时,应考虑弹体响应的影响。因此 P-和P 采用模糊理论中的重心法推理规则来 bP . i 。 描述温度 t 膛压曲 时的 线 个样 本的加权和,其权值分别为 t 3个模糊集的隶属 对 程度。从而有 必须确定弹体内引信部位对弹底压力P的 加速度响 应 a) (a t 弹体可认为是一个线性时不变系统 ,根据 D hm l ua e 原理,若一个线性系统的脉冲响应函数为 u t l (P +t , , + t m, (P u ) u(P ) m ) P二 ut u (+ } ) ,) mt u( (+ ) t () 4 h) 那么该系统在任一激励A数x) (, t I (作用下的响应 t 为( 4 1 此式便为求任意温度时膛压的基本公式。按照 上式求出的膛压曲 线是一条光滑的理论曲 线,它和 实际的膛压曲线有很大的差别。为了使理论膛压曲 a=(( ) ( J r d t 几xhr ) )- r t 上式在数学上称为卷积积分,简称卷积。 化表示形式为 (9 at= * ( xt h ) ) ) ( ( t 线与实际的曲 线更加逼近, 采取对理论的 膛压曲 线 加高斯白噪声的方法进行处理。高斯白 噪声是随机 性最强的平稳过程,在工程上常采用它作为计算机 仿真的加噪工具。 利用高斯白噪声的算法,可以产生一个方差为 式中 x) 系统所受的 (— t 激励 系 h) 当系统的 激励是脉冲函 (— t 数时, 纹 少的 高斯白 s 则 噪声 (, 加噪后的 t ) 膛压曲 线可以 用 下式进行计算 形 的 底 力F 孙D加 和h) 卷 就 成 弹 压 = ' 9 (做 积 可 t P= + ( P t S ) () 5 以 求得引 信部位的加速度响应a) (,即 t a ) 系统对激励x ) 加速度响应 将 (— t (的 t 由 只要知道弹体的 此可知, 脉冲响应h) (, t 产生的响应,即脉冲响应  ̄P 2 弹丸过载的计算 将式( 求得的P, ( 5 ) 代入下列公式就可以 求得弹 a ) Ft h ) ( = ( +( t ) t () 1 0 设弹体的运动微分方程可以 用下式表示 ) . y (+ +a,d( +( = d t . yt ayt " ) ) d" t d t 丸 载3 过 [ 1 u l = - llN x几 xK 一 “ ?= 口2 p bx dt ( . xb , d) d , ” '一、t x ( L t )( + ) () 6 式中x) (表示激励,y ) r (表示响应, ‘ b t a与 ‘ 均为实 常数。 如果激励为脉冲函 则响应yt b) 数, (= 具有 )t ( 与方程齐次解相同的形式。若方程的 特征根是 n 个 式中 W — 弹丸的重量 D — 弹丸的口 径 工 P 卯 g — 弹后膛内火药气体平均压力, 即膛压 不同 单 当。m [ 的 根, > 时5 1 — 虚拟系数,(> p 1 — 重力加速度 的项为 b = cxau] ( 艺 ,;( t ) e [ t p t ) (2 1) 若方程的 ‘ 重根,则式( ) 与a 根a 是r 1中 ‘ 2 相应 (值由 P 火炮和内 弹道设计提供,也可由 下式计 算 W, () 7 (+r +. c, ,) p ;( . i, ‘x[t t () C c t +t e a u) 1 , . - 一 , + ] 3 势W十W 一。3 得 系数 。可以 通过方程式(1 () 1 两端各奇异函数项系数 对应相等的方法求得。 显然当方程的特征根的个数 。 蕊,时 ep u ) 夕, x [ t] a (+ ; t 言 火炮决定的常数, 可由设计手册查 式中 W — 由 . W— 笼 . db 弓, '( t ) — d' t 发射药重量 (4 1) 万方数据 机 械 工 程 学 报 第4 卷第 5 0 期 由于在工程应用中一般很难按上述方法求出 式进行计算 H( ) f_ h) 所以 (, t 在实际应用中 一般用傅里叶变换通过系 统频域传递函数H f 求弹体的脉冲响应。脉冲响 () 应和系统频域传递函数是一对傅里叶变换对,即 G () a f G () ff (6 1) h)。显然通过对系统频域传递y数 ( ( ) ) tw Hf e 一 ( I 完成上述工作后,对弹体内引信部位所受的弹 更 一 般 的过 程 是根 据 时 域 卷 积 定 理 ,若 底压力F进行傅里叶变换得到F 。 汀)则弹体内引 信 f t - ) z) , -( , (- F() ( ( ), f t ) Ff , ,则 f 部位的 加速度频率响应Af = )() 对Af ()( Ff 。 () Hf f A 一 F f 凡() (*) t ( ) t L) f ( 进行傅里叶反变换就可以得到弹体内引信部位所受 在复频域中求得 的过载a ) (。 t ) Af =f X( ) () ) f H( (5 1 则弹体内引 信部位对弹底压力的加速度响应a ( O即 5 引信过载随机过程计算机模拟程序 Hf 进行 () 傅里叶反变 即 换, 可得到h) (。 t 上式中G () .是输入与输出的 f 互功率谱估计, G () ff 是输入的自 功率谱估计。 是Af 的傅里叶反变换。 () 解决H f 的求解问 () 题,可以 采用两种方法: 一种是采用试验研究与理论分析计算相结合的方 法:另外一种是采用目 前流行的大型有限元分析软 件 A S S在计算机上求解。 NY 对于第二种方法一般 流程图及模拟结果 开始 的 求解步骤是: ①建模。②加载并求解。 ③观察结 果。详细的计算步骤可参阅相关的用户手册。重点 介绍第一种方法的求解过程, 即弹体动态测试方法。 这是一种通过测量输入激励和输出响应以获得频域 传递函数的方法,它通过搭建弹体动态测试系统来 完成。 计算任愈温度时弹丸理论膛压P 对理论膛压进行加嗓产生加嗓膛压F 利用弹体动态测试系统侧算功率谱 G 和 G , n 4 弹体动态测试系统 一个完整的弹体动态测试系统由3 部分组成: 激振部分、 信号测量与采集部分和信号分析与频响 函数估计部分。 在激振部分, 可采用简单实用的激励锤作为激 振器。 它利用锤敲击激励点产生的脉冲信号来激振 被测系统。 锤头的质量、硬度和敲击的速度决定了 脉冲的特性。一般来说敲击锤头的 硬度决定脉冲信 号的有效频率范围,敲击速度和锤的质量决定力幅 值的大小 从信号分析的角度看,希望锤击脉冲的频域宽 且持续时间较长。为了增加脉冲频谱的频带宽度, 必须缩短脉冲的持续时间,而脉冲的持续时间则是 与接触面的硬度以及锤头的质量有关:锤头顶帽越 硬,锤头质量越轻,则冲击的时间就越短,其能量 耘 次 是 足 、 卜三 数 否 奋七 *是 计算H f和 Af () ( ) 对A力进行傅里叶反 ( 变换得 ( 到a) t 结束 图1 引信过载随机过程计算机模拟程序流程图 基于上述流程对某榴弹炮在发射时引信部位所 受的膛压进行了模拟计算,结果如图所示。 3八 小. 。 日 之 . 饭 澎 侧 侧 启 1 1 0 谱所覆盖的 便越宽[ 然而, 频率 [ 6 ] 。 在分析时 总希望 冲击能量足够大,这与上述的要求本身就是一种矛 盾。应用时一般应先考虑频宽的要求,然后确定所 需的冲击时间,据此再确定锤的配置。通常冲击时 间能满足 4 个采样点即可。 -5 一般采用多次敲击的 方法来消除误差。在这种情况下频率传递函数按下 - l 一 一  ̄ .口 内J n‘ l 0 10 0 2 0 0 30 0 4 0 0 0 50 时间 - 0 图 z 模拟的高斯白噪声 万方数据 20 年 5月 04 3 0 0 00 王亚斌等:引信过载随机过程计算机模拟 振动模态分析及其应用. 北京:宇航 出版社 , 李德葆. 18 99 舀0 20 0 0 分析与处理 天津: 天津大学出版社, 0( 20 姜常珍 信 号 董卫平 振动模态分析技术. 北京: 国防出版社, 陈安宁, 1 93 9 凳0 10 0 0 侧 姻 异 O 0 z 4 吕 COM PUTER I ULATI SM ON OR F 1 0 1 2 时间 a s t m 图 3 加噪后的引信过载 S TOCHAS I P T CROCES OF S OVERLOAD I F N UZE 经过与实测引信过载曲线比较分析,加噪后的 引信过载基本反映了发射时引信受到的实际过载, 满足工程计算的要求,可以作为下一步引信虚拟样 机动力学仿真的环境输入。 W n ai iM ni Tn mn Yb Lu ge H ii ag n i ia u ( hooMeht n Eg ergBi g S ol ca oi ni en,i c f r c n i e n j I t t f eho g,i 108 ) u oTcnl yB i g 01 n i e st o en 0 j A s atS ca ip cs o oeod i t cu e bt c t hsc es vr a dr g or o r : o t r o f l u n h e s f f enh g ius i dtla a oim w i c u l ci id cs d e i n rh ,c a z a n s e na, l t u s g h h n s u t f enh g r a i ay pr u bs o i le l ci oe od n t e t ee n m a u a z u n v l n e a r a d m 6 结论 从理论上对任一温度下弹丸膛压获取及其加噪 处理和弹体内引信部位过载的计算进行了详细的阐 述,并从计算机编程的角度设计了引信过载随机过 程计算机模拟程序,最后通过一个算例验证了算法 t pi ieio ao df i i f z t o ,l h rc lo n r tn uo n y r iao e p f m i i s n u h y s n f f z e s p s t . cl le t o ta oeodd ps b r e e T ec a d r i lr a i i o d e n d h a u t h ec v l s e y e s w i ni t即 r c a u lnh gra.a 勿- hes o p a c a a ci oeo A lt t oe o h l n v ld t t u s nmc iue tcl le f e os f l nh g a itts oc a t u rpne a ci e sd au t h z e s e s o u n r oeod S t a ulenh g r a cn s u vr a. h c a f l ci oeod b i - l o t u a n v l a e e z u m 和程序的有效性。 进一步的工作是利用试验研究和 A S S软件分别对某一弹体引信部位的过载进行 NY 计算, 将计算结果与实测的过载曲线进行比 较,分 析两种方法的计算精度,提出改进的算法。 参 考 文 献 刘卫东,陈庆生. 膛压随机过程最大值的概率分布规律 研究. 南京理工大学学报,19( : 7 99 ) 7 6 2 3 李国是 模糊随机技术在引信安全系统仿真中的应用研 le it cm u rad p g m s caipoe o a dh o pt, t r r o t hsccs f t n e e n h o a f t r s e o oeod ege bs o t i aT ttvli vra ids nde n d . e t ad o l si a d h e o h it f e s e y t a oimd p ga , ci oeoda i h l rh a t r r l nh g ra o hwt e t n h o m a n v l f g e u o zre iu t . r u if n bs ay e c e f is le T e l s d i l tb i a- u s a d h e to z m s u a c l o n crwtaul ci oeod uet p印 s ot odh al nh gra o f , u oeh i c a n v l f h t u z e f e rsac iahe e . eerh c ivd s K y d:eu p s r vra e w rsFz G n s e eod o u r u O l e 作者简介: 王亚斌, 男,1”年出生, 9 博士研究生。 主要研究方向 为引 信虚拟试验、自 然人机文互和虚拟制造的研究 Em i w bo倾btd - - a : b y ! uu l y i 究: 硕士 位论 . I 学 文)北京: 北京理工大学,1 9 9 9 马宝华. 引信构造与作用_ 北京 国防工业出版社, 94 18 万方数据

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