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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