Моделирование динамики ударных воздействий в боевых машинах со скорострельным пушечным вооружением

УДК 623.438

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ УДАРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В БОЕВЫХ МАШИНАХ СО СКОРОСТРЕЛЬНЫМ ПУШЕЧНЫМ ВООРУЖЕНИЕМ

С.С. Волков, Н.Л. Пузевич, С.В. Демихов, А. А. Клюшин

Выполнен анализ энерго-силовых процессов, происходящих в боевой машине при периодических ударных воздействиях на корпус в процессе стрельбы. Отмечено влияние деформационных процессов в узлах и деталях башенной установки боевой машины, обуславливающих колебательные процессы различных частот, на точность стрельбы.

Ключевые слова: скорострельное пушечное вооружение, ударно-силовые воздействия, распределение энергии, диссипация, деформационные процессы, вращательное движение.

Целью работы является анализ энерго-силовых процессов при периодических мощных ударных воздействиях, соизмеримых с прочностными характеристиками материалов и соединений корпуса и узлов машины. Работа направлена на определение условий обеспечения пространственной и прочностной устойчивости машины со скорострельным орудием. В качестве объекта анализа принята боевая машина с тактико-техническими характеристиками, близкими к характеристикам зенитного ракетно-пушечного комплекса на базе КАМАЗ-6350.

Работа носит постановочный характер по детализации последующих исследований.

С изменением характера боевых действий, в частности, с быстро изменяющейся локальной линией раздела противоборствующих сторон и с отсутствием пространственного выраженного тыла, военная автомобильная техника, оставаясь транспортным средством, все больше приобретает функции боевой техники [1].

Установкой на автомобильное шасси КАМАЗ-6560 скорострельного пушечного вооружения создается новый тип боевой техники, обладающей высокой мобильностью, и, соответственно, большей живучестью и высокой поражающей способностью. При этом образец военной автомобильной техники, спроектированный для использования в качестве эффективного транспортного средства, нуждается в конструкционной адаптации к функциональным требованиям к боевой технике с пушечным вооружением [2].

Основным требованием к средствам подвижности вооружения при обеспечении точности стрельбы является координационная устойчивость в процессе стрельбы. С особой необходимостью требование по стабилизации пространственного положения подвижной базы встало для скорострельных пушечных установок. Если для артиллерийских орудий с оди-

433

ночными выстрелами к базе предъявляются требования по ударной прочности и пространственной устойчивости в течение времени прохождения снаряда в стволе, то для скорострельного пушечного вооружения база должна быть устойчивой в течении серии выстрелов. При этом прочностные требования к силовым воздействиям существенно ужесточаются или видоизменяются.

Периодические ударно-силовые воздействия на корпус машины дополнительно к одиночным воздействиям вызывают целый спектр форм энергетических процессов в корпусе машины и в отдельных функциональных частях, обусловленных наложением воздействия каждого последующего выстрела на релаксационные процессы предыдущих выстрелов.

Периодичность силовых воздействий серии выстрелов вызывает вибрационные формы движения узлов, деталей, материалов и соединений, а также возбуждает различные резонансные механические колебания на основных частотах и их гармониках, включая собственные частоты машины в целом и ее узлов. Такие воздействия создают дополнительные напряженности на несущие конструкционные элементы корпуса и приводят к разрушениям. Важным также является то, что колебания корпуса вызывают колебания жестко связанного с ним ствола орудия, что негативно влияет на точность полета снаряда.

Для уменьшения амплитуды колебаний упругие элементы системы подрессоривания машины блокируют жесткими гидроопорами [3]. Однако повышение жесткости опор не снижает количества поступившей в корпус энергии, а энергетические напряжения в узлах корпуса релаксируют в форме колебаний более высоких частот. При значительных частотах колебаний автоматическая электронно-механо-гидравлическая система наведения не успевает корректировать погрешности направления ствола при скорострельной стрельбе из-за большой постоянной времени реакции механики и гидравлики.

В связи с этим представляется актуальной задача по обеспечению точности стрельбы из скорострельной пушки, установленной в боевом модуле, с точностью, отвечающей тактико-техническим требованиям к пушечному вооружению. Данное обстоятельство предполагает: выполнение анализа энерго-силовых процессов в боевой машине при периодических ударных воздействиях на корпус в процессе стрельбы; определение динамической реакции корпуса машины на периодические ударные воздействия; определение прочностных характеристик функциональных узлов машины на сжатие и на изгиб, а также адаптация их к ударным воздействиям выстрелов; определение частот собственных колебаний и разработка мер по предотвращению механических резонансов в корпусе машины, особенно в основании башенной установки; разработку способов и устройств рассеивания получаемой корпусом энергии выстрелов.

Как известно, теоретическая механика считается наукой завершенной, и в ней все принципиальные проблемы решены (кроме проблемы шума колесных пар и задачи взаимодействия многих тел). Нужно отметить, что это справедливо при условии использования ряда приближений. Например, материальное тело принимается за точку с массой тела, взаимодействие тел принимается мгновенным и т.д. Однако в прикладной механике возникают задачи для тел с распределенной массой и с силовыми воздействиями, ограниченными прочностными характеристиками, а энер-го-силовое взаимодействие всегда происходит в реальном временном интервале, находящемся в разных соотношениях с инерционностью тела в целом и его функциональных частей, что приводит к многообразию форм движения, особенно при ударных силовых взаимодействиях.

Все силовые и энергетические процессы при стрельбе исходно регламентированы химической энергией метательного заряда (пороха, пироксилина, баллистита), выделяющейся в процессе самоокисления (дефлагра-ции).

Энерго-силовые процессы единичного выстрела целесообразно разделить на три стадии: 1) движение снаряда в канале ствола орудия; 2) движение ствола в откатной части орудия; 3) движение корпуса и его функциональных узлов.

В первом приближении считается, что характер энергетических процессов внутри ствола для результатов воздействия на корпус машины существенной роли не играет. Характер процессов внутри ствола представляет интерес при определении угла отклонения пушки от заданного направления, возникающего из-за нецентральности силы выстрела, действующего на корпус машины в процессе движения снаряда в стволе. Распространенным положением в теоретическом моделировании выстрела является приближение мгновенного сгорания заряда при неподвижном снаряде в стволе с последующим движением снаряда после сгорания заряда.

Рассматривая ствол с зарядом и со снарядом как тепловую машину, такое приближение соответствует стадиям «горение-расширение» цикла Отто в цилиндре двигателя внутреннего сгорания и вполне приемлемо для теоретических моделей расчета тепловых процессов.

Для удобства расчетов примем приближенно ускорение снаряда внутри ствола постоянным. Тогда скорость будет линейно нарастающей, а при известной скорости вылетающего из ствола снаряда можно определить время его движения в стволе, что является основой определения угла отклонения при различных воздействиях.

Реальная модель движения снаряда в стволе может быть выражена моделью Тринклера, предполагающей исследование горения при постоянном объеме. Затем движение снаряда при постоянном давлении с продолжением горения, а приблизительно с половины ствола расширение газа в адиабатическом режиме со спадом давления по экспоненте. Вылет снаряда

из ствола сопровождается отдачей по закону сохранения количества движения. Расчетные модели циклов Отто и Тринклера достаточно известны.

Движение снаряда в стволе сопровождается также поступательным движением ствола в обратную сторону. При этом ствол сжимает упругие элементы в устройстве отката и приводит к сложным формам движения башенной установки, функциональных частей машины и корпуса в целом.

Ключевыми в передаче энергии движения корпусу являются три положения:

1. Ствол и башенная установка получают кинетическую энергию в результате взаимодействия трех тел: тепловое рабочее тело, снаряд и ствол с башенной установкой.

2. Энергия упругих деформаций в частях машины сохраняется после вылета снаряда из ствола. Суммарная работа упругих деформаций «сжатие-растяжение» в процессе взаимодействий тел и функциональных частей установки не равна нулю.

3. После вылета снаряда из ствола в корпусе кроме механической энергии вращения, приобретаемой в соответствии с законом сохранения количества движения, содержится энергия упругих деформаций деталей и узлов корпуса машины.

Наличие избыточной энергии (сверхбалансовой) в корпусе после выстрела, больше энергии, приобретаемой по законам парного взаимодействия, обусловлено тем, что в энергообмене при выстреле могут участвовать как машина в целом, так и ее функциональные части по отдельности. Накопление энергии в корпусе при выстреле в виде упругих напряжений обусловливается также тем, что постоянная времени упругих колебаний больше времени силового воздействия рабочего тела (продуктов горения) на снаряд.

Наличие избыточной энергии в корпусе после выстрела подтверждается результатами работы [4]. В поведенных на базе полигона РВВДКУ экспериментах наблюдаются колебания корпуса всей машины и вибрационные колебания, приводящие к «стряхиванию» микрочастиц (пыли) со всего корпуса.

Известные масса снаряда и начальная скорость движения снаряда в свободном полете могут быть использованы для определения энергосиловых характеристик воздействий выстрела на машину и ее функциональные узлы.

Так, при массе снаряда 0,36 кг и ее начальной скорости 1000 м/с, кинетическая энергия снаряда равна T = ш^/2 = 180 кДж. Эта энергия, переведенная в потенциальную энергию, можно определить, как подъем всей машины массой в 24000 кг на высоту:

436

, Т 180000

И = — =-» 0,7 м,

mg 24000 • 9,81

где Т - кинетическая энергия снаряда, Дж; т - масса корпуса машины, кг.

Величина впечатляющая на фоне требований удержания ствола пушки в пределах десятых долей градуса. Как отмечается в работе [5], энергией отдачи Ж = 240 кДж артиллерийского орудия А-19 может быть разбит на части лафет этого же орудия.

Гашение такой величины энергии до следующего выстрела в скорострельных орудийных системах известными методами и средствами неприемлемо, так как период выстрела значительно меньше постоянной времени естественной диссипации энергии в форме отката. Накопление энергии в корпусе машины в разных формах увеличивает вероятность механического воздействия на ствол орудия, на его заданное угловое положение. В целях устранения данного явления или управления им необходимо определить количество энергии, поступающей в корпус машины в течение и после выстрела, а также характер распределения этой энергии по видам и по функциональным узлам машины.

Соответствующие исследования могут быть выполнены с использованием общих положений механики. Передача энергии удара определяется уравнениями динамики, законами сохранения количества движения, сохранения количества энергии, сохранения момента импульса. В приближении взаимодействующих тел в виде материальных безразмерных точек с идеальной упругостью уравнения имеют соответствующие ограничения. Например, для двух взаимодействующих материальных точек скорости после взаимодействия определяются по закону сохранения импульса, а энергии частиц определяются с учетом полученных значений скоростей.

В такой модели энергия кратковременного удара от выстрела, передаваемая корпусу при большой разнице масс (сводимых в точке) взаимодействующих тел, оказывается незначительной. На практике даже визуальные наблюдения показывают по колебаниям корпуса машины несоответствие результатов традиционных моделей с экспериментом. Для ориентира к результату можно привести распределение энергии заряда выстрела с учетом подходов, используемых в работе [6]: кинетическая энергия снаряда - 20%; нагрев снаряда и ствола путем взаимного трения - 15-25%; диссипация в атмосферу - 30%; работа автоматики заряжания - 30 % и механическая энергия отката орудия - 5%.

Для определения характера распределения энергии по видам движения и локализации ее по функциональным частям машины целесообразно проанализировать следующие виды движений:

1. Вращательное движение корпуса машины в системе центра масс (Ц-системе) под действием силы выстрела и по инерции.

2. Вращательное движение корпуса машины вокруг точки опоры (в лабораторной системе или Л-системе) под действием силы выстрела и по инерции.

3. Поступательное движение по горизонтали и по вертикали башенной установки и других узлов под действием силы выстрела.

4. Деформация изгиба элементов корпуса под действием сил поступательного движения узлов машины (башенной установки).

5. Сжатие-растяжение упругих элементов подрессоривания при вращательном движении корпуса и его поступательном движении по вертикали.

6. Собственные колебания машины в Ц и Л-системах.

7. Собственные колебания узлов и деталей машины, находящиеся в зоне энергетических потоков.

8. Вынужденные колебания корпуса под действием периодического силового воздействия серии выстрелов.

9 Энергетические емкости упругих элементов машины и конструкционных элементов.

10. Пути релаксации энергии выстрелов, полученной корпусом, и их взаимосвязь с пространственным положением ствола орудия.

Согласно законам вращательного движения, за время выстрела под действием силы ^ корпусу машины 1А2 с массой т' (рисунок) с амортизаторами 3 и 4 должна быть сообщена кинетическая энергия вращения вокруг центра масс Ц машины и вокруг точки опоры 1. При известном времени ? действия силы и радиусов ЦА, 1Ц, 2Ц, а также углов между ними определяется средняя скорость вращения корпуса вокруг центра масс Ц и вокруг точки опоры 1, а, соответственно, и кинетическая энергия корпуса.

В результате расчетов установлено, что энергия, передаваемая корпусу, не превышает 10 Дж. Для сравнения, в электрической форме такая энергия равна 7 Вт- сек, что не согласуется с результатами испытаний. В связи с этим для расчета энергетических и силовых процессов целесообразно составить рабочую конструкционную модель из отдельных узлов и элементов: 1) рабочее тело - продукты горения; 2) снаряд, 3) ствол - башенная установка; 4) упругие элементы орудия; 5) основание; 6) корпус машины; 7) упругие элементы подвижной платформы.

В расчетах потоков энергий и действующих сил дополнительно в схему вводится упругий элемент АА (рисунок, б) между точкой приложения силы А' с массой т' и точкой А, жестко связанной с центром масс Ц, представляющей собой виртуальную точку корпуса 1 А2 с массой т.

Такая схема позволяет учесть энергию, передаваемую рабочим телом башенной установке с орудием не по закону сохранения импульса, а по равенству давления рабочего газа во всех направлениях. Башенная ус-

438

тановка с массой т (точка Аг) при своем движении сжимает упругие элементы (АА% а также деформируют элементы корпуса 1А2 относительно центра масс Цмашины (рисунок, б).

Моделирование вращательного движения корпуса боевой машины при стрельбе: а - схема для расчета вращательного движения абсолютно жесткого корпуса 1А2 вокруг центра масс и вокруг точки опоры при деформации упругих элементов 3 и 4.; б - схема для расчета вращательного движения упруго деформируемого корпуса 1А'2 вокруг центра масс и вокруг точки опоры при деформации упругих элементов

3, 4 и АА.

Деформационная сила конструкционных элементов приводит во вращательное движение корпус машины относительно центра масс Ц, а также относительно точки опоры 1. Поскольку деформационные силы имеют в качестве составляющей инерционную силу, они продолжают действовать и после окончания действия силы рабочего тела, то есть после вылета снаряда и выхода газов из ствола.

Диссипация деформационной энергии протекает как в прямом направлении инерционного движения, так и в обратном, но уже с частотой собственных колебаний элементов конструкции, находящихся под механическими напряжениями. Так как собственные частоты у элементов и узлов башенной установки разные, то и свободные колебания их происходят с разной частотой.

В данной работе на основе экспериментальных исследований и теоретического анализа рассмотрен механизм передачи корпусу машины с башенной установкой энергии в виде упругих напряжений элементов и узлов корпуса машины, релаксация которых создает неуправляемые колебания частей корпуса.

Таким образом, при ударных нагрузках в динамике движения взаимодействующих объектов показано влияние деформационных процессов в узлах, деталях и конструкционных материалах объектов, обуславливаю-

439

щих колебательные процессы различных частот. Критерии ударных нагрузок определяются соотношениями ускорений взаимодействующих поверхностей, масс и моментов инерций тел, модулей упругости конструкционных материалов.

Список литературы

1. Демихов С. В., Клюшин А.А. Направление повышения эффективности стрельбы комплекса вооружения на базе двухзвенной гусеничной машины в условиях Арктики // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 7. Ч. 2. С. 131-138.

2. Повышение устойчивости платформы под монтаж ракетно-артиллерийского вооружения в арктических условиях / А.А. Клюшин., С.В. Демихов // Тез. докл. на Всерос. научн.-техн. конф. по проблемам эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем, г. Серпухов, 2016. С. 142-146.

3. Дядченко М.Г. Исследование влияния системы подрессоривания боевых гусеничных машин на работоспособность специального оборудования : дис. ... канд. техн. наук. М., 1997. 118 с.

4. Граве И.П. Внутренняя баллистика. Пиродинамика. Л.: изд-во артакадемии РККА, 1993. 160 с.

5. Толочков П. Л. Теория лафетов. М.: Воениздат, 1998. 154 с.

6. Кропин А.С. Учебник офицера ракетных войск. М.: Воениздат, 1999. 164 с.

Волков Степан Степанович, д-р физ.-мат. наук, проф., volkovstst@,mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище им. генерала армии В. Ф. Маргелова,

Пузевич НиколайЛеонидович, канд. техн. наук, доц., начальник кафедры, kafe-dra.at@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище им. генерала армии В. Ф. Маргелова,

Демихов Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., заместитель начальника кафедры, kafedra.at@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище им. генерала армии В. Ф. Маргелова,

Клюшин Андрей Александрович, адъюнкт, andrei-klyushin@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище им. генерала армии В. Ф. Маргелова

MODELING THE DYNAMICS OF IMPACT

IN COMBA T VEHICLES WITH THE RAPID-FIRE CANNON ARMAMENT

S.S. Volkov, N.L. Puzevich, S.V. Demikhov, A.A. Klyushin

440

The analysis of power-energy processes occurring in a combat vehicle with periodic impacts on the body in the shooting process. The influence of deformation processes in the nodes and details of tower installations of the combat vehicle, causing oscillatory processes of different frequencies, the accuracy of the shooting.

Key words: rapid-fire cannons, Shockwave power impact the distribution of energy dissipation, deformation, rotational motion.

Volkov Stepan Stepanovich, doctor of physico-mathematical sciences, professor, vol-kovstst@,mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan higher airborne command school general of the army V. F. Margelov,

Puzevich Nikolay Leonidovich, candidate of technical sciences, docent, chief of Department, kafedra. at@,mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan higher airborne command school general of the army V. F. Margelov,

Demikhov Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, deputy chief of Department, kafedra. at@,mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan higher airborne command school general of the army V.F. Margelov,

Klyushin Andrei Aleksandrovich, adjunct, andrei-klyushin@,mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan higher airborne command school general of the army V. F. Margelov

УДК 658.262; 658.512:005

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБЪЕКТОВ ВОЕННОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

В.И. Гнатюк, С. А. Дорофеев, О.Р. Кивчун

В статье рассмотрена математическая модель процесса электропотребления при эксплуатации объектов военной инфраструктуры с использованием тран-зактного способа организации квазипараллелизма. В качестве аналитического ядра целевой функции оптимизации данной модели принимается интегральный показатель эффективности. Такой подход позволяет создать научно методические предпосылки для оптимизации процесса углубленных энергетических обследований, проводимых после соответствующих процедур рангового анализа.

Ключевые слова: моделирование, электропотребление, объекты военной инфраструктуры, имитационная модель, ранговый анализ.

В статье [1] рассмотрен подробно один из подходов исследования процесса электропотребления с точки зрения его управления при эксплуатации объектов военной инфраструктуры (ОВИ) на основе статической модели, смысл которой заключается не в классическом поиске оптимального значения целевой функции в области варьирования параметров, а в определении оптимальной стратегии изменения параметров, которая

441