《火炮系统动力学》

第一章 火炮振动分析基础1

1.1 概述1

1.2 机械系统振动的数学描述1

1.3 线性振动系统动态响应的基本组成 伴随自由振动概念2

1.4 伴随自由振动引起的拍振现象4

1.5 冲击型外力引起的响应分析6

1.6 系统呈静态或动态特性的工程判断10

1.7 主从系统振动--振动解耦的一种分析方法11

1.8 系统结构参数改变对其固有频率的影响14

1.9 转动规范理论--一种建模的新方法16

1.9.1 引言16

1.9.2 转动规范理论的基本概念和原理17

1.9.3 变形体的空间运动20

1.9.4 变形对整体运动的影响24

1.10 有限次重复冲击载荷作用下振系的响应特性27

第二章 几个较深的炮管振动问题29

2.1 炮管的横向振动29

2.1.1 炮管横向振动运动方程的普遍形式29

2.1.2 炮管横向振动运动方程的特点和求解问题35

2.1.3 炮管振动分析的有限单元法35

2.2 炮管的径向振动41

2.2.1 运动方程及定解问题转化41

2.2.2 自由振动43

2.2.3 强迫振动46

2.3.1 参数振动和参数共振概念48

2.3 炮管的参数振动--炮管纵向和横向的耦合振动48

2.3.2 炮管的参数振动方程51

2.3.3 炮管的参数共振分析53

2.4 炮管的刚-柔耦合动力学模型55

2.5 移动载荷效应对炮管振动的影响分析61

2.5.1 在恒速移动载荷作用下炮管的运动方程62

2.5.2 移动载荷速度对炮管振动的影响分析64

2.5.3 求解移动载荷效应的小参数法67

第三章 火炮通用动力学模型理论--多体理论在火炮工程中的应用开发73

3.1 概述73

3.1.1 用经典力学理论实现火炮通用动力学模型的缺陷73

3.1.3 K-H多体理论简述74

3.1.4 应用K-H多体理论实现火炮通用动力学模型的可行性分析74

3.1.2 多体系统理论概况和主要方法体系74

3.2 系统几何构形的数学描述75

3.2.1 几个约定75

3.2.2 系统拓扑结构的数学描述--低序体阵列76

3.2.3 坐标变换矩阵78

3.2.4 坐标变换矩阵导数79

3.2.5 方位坐标描述80

3.3 系统运动学描述84

3.3.1 广义速率84

3.3.2 角速度和偏角速度阵列85

3.3.3 角加速度和偏角加速度阵列86

3.3.4 质心位置矢量86

3.3.5 质心速度和偏速度阵列88

3.3.6 质心加速度和偏加速度阵列89

3.4.1 广义力90

3.4 系统动力学描述90

3.4.2 偏速度和偏角速度91

3.4.3 Kane方程91

3.4.4 K-H基本方程93

3.5 系统的约束处理和数值解法94

3.5.1 用于数值解法的完整方程组94

3.5.2 接点、自由度及施加于系统的约束95

3.5.3 系统接点约束处理96

3.5.4 数值解法过程和程序设计流程图98

3.6 系统内力的广义主动力101

3.6.1 概述101

3.6.2 “无功”力(矩)概念101

3.6.3 系统内力的广义主动力102

3.7.1 引言105

3.7 有限段理论105

3.7.2 典型段的几何描述106

3.7.3 典型段的运动学描述108

3.7.4 含有柔性体的多体系统K-H基本方程110

3.7.5 段间内力的广义主动力113

3.8 应用开发实例115

第四章 设计参数灵敏度分析理论--机械系统动态优化设计的现代方法119

4.1 概述119

4.2 基本术语和必要的数学知识120

4.2.1 基本术语120

4.2.2 约束最优化问题的K-T必要条件122

4.2.3 隐函数的存在和唯一性定理(隐函数定理)124

4.3.1 非线性规划问题的一般提法125

4.3 非线性规划理论125

4.3.2 非线性规划中的梯度投影法126

4.3.3 梯度投影法算法133

4.4 有限维最优设计原理--状态空间灵敏度分析法134

4.4.1 有限维最优设计问题的数学模型134

4.4.2 状态空间灵敏度分析法136

4.4.3 状态空间梯度投影法算法139

4.4.4 结语140

4.5 机械系统和结构系统的动态优化设计141

4.5.1 动态优化设计问题的特点141

4.5.2 “等价”积分约束概念141

4.5.3 动态优化设计问题的公式表示法142

4.6 集中参数系统的设计参数灵敏度分析法147

4.7 梁式弹性体的设计参数灵敏度分析法154

4.8 带有间断运动系统的设计参数灵敏度分析法158

4.8.1 概述158

4.8.2 用于这类系统的参量描述158

4.8.3 动态优化设计的公式和一般提法159

4.8.4 状态空间灵敏度分析法160

4.8.5 关于伴随方程的求解165

4.9 应用实例165

第五章 弹炮系统起始扰动理论169

5.1 起始扰动概念及其形成过程169

5.1.1 起始扰动概念169

5.1.2 起始扰动形成过程169

5.2 炮管的运动和振动传递给弹丸的加速度171

5.2.1 力学模型和坐标系171

5.2.2 公式推导172

5.3 弹炮系统引起的起始扰动173

5.3.1 约束期弹轴运动分析173

5.3.2 半约束期弹轴运动分析180

5.3.3 后效期弹轴运动分析180

5.4 起始扰动与射弹散布的关系式184

5.4.1 起始扰动引起的周期性章动和进动运动184

5.4.2 起始扰动引起的弹道系统变化185

5.4.3 起始扰动引起的偏角变化186

5.5 由弹炮药参数散布估计射弹散布特征量的理论公式187

5.5.1 随机变量函数均值和均方差的计算公式187

5.5.2 起始扰动均值和均方差的估计188

5.5.3 平均偏角均值和均方差的估计190

5.6.1 运动方程191

5.6 弹丸膛内运动状态判断191

5.6.2 运动方程求解193

5.6.3 运动分析和运动状态判断195

5.7 柔性管内弹丸运动方程196

5.7.1 基本坐标系196

5.7.2 坐标变换198

5.7.3 So相对S′的运动学关系式199

5.7.4 S相对So的运动学关系式202

5.7.5 S相对S′的运动学关系式203

5.7.6 弹丸运动方程206

5.7.7 作用于弹丸上的外力系207

5.7.8 碰撞方程211

5.7.9 用于求解的完整方程组215

6.1.1 随机模拟的基本思想216

第六章 火炮系统发射过程计算机模拟216

6.1 随机模拟概念216

6.1.2 随机模拟的精度217

6.1.3 随机模拟的步骤217

6.2 随机变量的模拟218

6.2.1 均匀分布随机数的生成218

6.2.2 任意分布随机变量的模拟219

6.2.3 正态分布随机变量的模拟220

6.2.4 多维正态随机变量的模拟221

6.3 火炮系统发射过程研究现状222

6.4 火炮系统发射过程模拟的基本原理和组成224

6.4.1 基本原理224

6.4.2 基本组成224

6.5 火炮系统发射过程模拟的计算机实施225

6.6 火炮系统发射过程模拟的原始数据准备226

6.7 提高发射过程模拟精度的途径227

6.8 模拟实例227

第七章 火炮动力学特性的试验研究232

7.1 概述232

7.2 模态分析原理234

7.2.1 无阻尼系统模态理论234

7.2.2 有阻尼系统模态理论235

7.2.3 机械系统的频响函数238

7.3 试验模态分析方法241

7.3.1 激振技术242

7.3.2 激振力和响应量测量245

7.3.3 频响函数的估计247

7.4 模态参数识别250

7.4.1 单输入、单输出模态识别法251

7.4.2 单输入、多输出模态识别法260

7.4.3 多输入、多输出模态识别法267

7.5 模态参数的验证271

7.5.1 合成频响函数271

7.5.2 模态指示函数272

7.5.3 模态安全判据273

7.6 结构参数修改与识别273

7.6.1 结构参数修改274

7.6.2 结构参数识别279

7.7 模态分析在火炮研究中的应用实例282

7.7.1 火炮结构非线性试验研究283

7.7.2 MICMA微机模态分析软件包的研制284

7.7.3 几种火炮的模态试验结果287

7.7.4 火炮模态试验的几点结论292

第八章 火炮系统振动测试与试验技术294

8.1 火炮振动特性294

8.2 振动参数测试方法297

8.2.1 测试系统的选择和使用297

8.2.2 测试方法和步骤300

8.2.3 几种新的测试方法302

8.3 振动数据处理309

8.3.1 数据的预处理309

8.3.2 随机振动信号的数字式分析310

8.3.3 非平衡动态信号的处理方法314

8.3.5 火炮现场试验数据处理系统317

8.3.4 冲击响应谱分析317

8.4 复杂冲击测试及分析方法318

8.4.1 身管应变及应变波分析319

8.4.2 传感器安装响应特性分析320

8.4.3 传感器环境响应分析325

8.4.4 火炮射击时典型复杂冲击信号及其分析328

8.4.5 测试系统动态特性研究及其改进330

8.5 振动冲击环境试验332

8.5.1 振动冲击环境试验参数的确定332

8.5.2 振动台试验能力的分析333

8.5.3 试验夹具的设计334

8.5.4 试验信号的调控334

8.5.5 随机振动试验技术336

8.6.1 振动信号分析与故障诊断338

8.6 振动诊断与控制338

8.6.2 射弹散布的振动诊断342

8.6.3 火炮振动诊断与控制实例345

第九章 火炮系统力学参数测试350

9.1 力学参数测试方法350

9.1.1 质量、重心位置测试方法350

9.1.2 转动惯量测试方法356

9.1.3 刚度系数测试方法360

9.1.4 阻尼比测试方法362

9.2 压力测试365

9.3 应力、应变测试372

9.4 应变波试验与分析377

参考文献389