BAT子弹药声阵列展开连杆机构优化设计
开题报告
一．论文题目：BA T子弹药声阵列展开连杆机构优化设计
二．选题背景介绍
BA T(Brainpower Antitank)智能反坦克子弹药是一种攻击坦克顶装甲的弹药，高空抛撒后在滑翔下落过程中搜索、识别、跟踪并在合适高度攻击目标。

BAT在目标附近区域上空投放后，展开弹翼、尾翼进行姿态调整，待弹体稳定飞行后，声阵列上的传感器开始工作，在一定范围的空域内进行目标搜索、识别。

当目标识别后，系统根据误差信号对飞行姿态进行调整使弹药朝向目标飞行，当弹目距离在可攻击距离之内时，启动战斗部对目标进行打击。

BA T子弹药是一种自主控制弹药，使用被动传声器和红外传感器对目标进行探测、搜索、识别、跟踪，声阵列是其主要探测设备之一。

声阵列是指将一定数量的声传感器按照一定的规则排列，通过判断来波方向确定声源位置的装置。

由于传感器在空间位置上的差异，致使同一个声源发出的声波到达不同传感器的时间不同（即存在时间差），依靠该时间差和传感器的相对位置，可以解算出声源的方位和距离信息。

BA T子弹药较大的十字滑翔翼保证很好的跟踪能力和大范围的打击能力，可以攻击较离散的坦克、导弹发射车等目标，而不限于攻击相对集中的集群目标。

三．选题的意义、目的
声阵列技术被广泛应用于智能反坦克装甲子弹药、武装直升机、地行探测、无人监控等军事及民用领域。

在不透光的黑暗环境中，虽然有热红外成像技术，但是从成本角度来说，声阵列具有不可替代的优势。

另一方面，声阵列探测技术完全不用考虑是否受电磁干扰的影响，因而省去了庞大的反干扰电子器件，这也决定了其结构简单、轻便，模块化程度高的特点。

正是由于这些特点和优势，使得声阵列探测技术受到人们的关注和研究，伴随着计算机对信号处理能力大的大规模提升，该技术在无人监控、低空探测、环境噪声评估及机械噪声诊断等领域取得了瞩目成绩。

而声阵列探测技术应用在反坦克弹药上，是对声探测技术的完美挖掘，预计会取得好的效果。

在ＢＡＴ子弹药中声阵列是布置在弹药的十字滑翔翼上的，弹药采用了伸缩弹翼，因而，在未发射或日常保养时，声阵列应随弹翼一起收缩在弹体中；在发射后，声阵列需要同弹翼同时展开到正确位置，使得弹翼和声阵列能可靠且稳定地展开，既要保证展开位置准确又对弹药飞行姿态影响最小。

因此需要对伸展机构进行设计、优化以及可靠性分析就显得很有必要。

四．文献综述
展开机构机构广泛地应用于各种设备上，例如雷达天线的展开、人造地球卫星的太阳能帆板、飞机的起落架、导弹和制导弹药的弹翼等等。

使用展开机构的原因是，设备的使用功能要求设备在存储和工作过程中所占据体积不同。

因而，展开机构有两种状态：展开状态、闭合状态。

要保证设备能够正常运转，展开机构工作的可靠性不可缺少，且对其工作性能也有要求，有的设备要求展开的速度快、冲击小，例如导弹折叠翼的展开；有的要求展开机构有足够的强度，例如飞机的起落架。

在展开机构的研究方面，国内外学者作了很多研究工作并提出了很多经典的展开机构设计方案，下面进行介绍。

(1).首先为总体结构设计方面的文献：
王永辉、陈晓丽等在空间展开机构初步原理分析与方案构想[1]一文中，结合传统的展开机构和光学精密机构原理，设计出一种精密的伸缩式空间展开机构，其设计原理是利用交错的连杆通过铰链连接来达到伸展和收拢的效果。

该文从原理分析和方案构想角度出发，讨论了主镜光学系统的两种不同展开形式（即分块镜向下折叠收拢和上下交错折叠收拢）的优缺点，并对展开机构的主要部件：铰链、锁定机构中应当注意的问题进行了探讨。

中北大学车辆与动力工程系的关世玺、程峰在弹翼展开装置研究[2]一文中，介绍了以燃气作动筒作为动力的弹翼展开装置的计算模型、载荷条件、研制方案、测试电路、试验结果和在地面模拟确定弹翼展开过程中所需的气动力参数，从而优化了作动筒参数，保证弹翼的顺利打开。

南京理工大学动力工程学院刘晓利在大展弦比弹翼张开机构运动分析[3]中，提出一种大展弦比弹翼张开机构的设计方案，该方案选择弹簧、压缩气体或燃气为动力源，采用连杆机构传递驱动力，符合约束条件与设计规范；在此基础上建立弹翼张开机构的运动分析模型，包括弹翼张开机构的运动关系、受力分析和动力学方程。

对几种典型状态进行对比计算、验证分析模型，获得一些规律性认识。

其结果对于机载布撒器一类武器的总体设计与工程分析
具有实用价值。

其结果可以为弹翼张开机构提供设计依据，并为相应分析提供工程计算手段。

王波、宋剑鸣、宋燕平在弹簧展开机构的设计及运动学仿真[4]中，设计的弹簧展开机构由两对互为备份的弹簧、流体阻尼器、温度补偿装置组成。

其中弹簧提供展开驱动力矩；阻尼器提供阻尼力矩以稳定展开速度，防止冲击过大；温度补偿装置用以补偿温度变化对阻尼器性能的影响。

文章论述了弹簧展开机构的工作原理及结构设计和必要的分析计算，同时对该展开机构应用在某星载天线中的工作情况进行了运动学仿真。

国防科技大学马玉勇在文章燃气作动筒弹翼展开负载模拟装置研究[5]，文章以以某型号折叠翼的展开为背景，设计弹翼展开负载模拟装置，模拟展开时弹翼的升力负载和阻力负载。

通过对此套装置的测试、验证，证明该模拟方法简单、有效，能够真实地模拟不同飞行攻角条件下的气动载荷。

在燃气作动筒的设计过程中，能有效地缩短燃气作动筒的设计周期，为燃气作动筒类火工品的研制和试验验证开辟了新的技术途径。

西安长峰机电研究所的钟世宏、王占利、孙巍在巡航导弹可折叠弹翼支架的设计及其动力学研究[6]中，根据巡航导弹可折叠展开弹翼支架部件的工作特点和性能要求，对弹翼转轴、导向机构和展开机构等部件的设计方法进行深入分析，对燃气作动筒的安装型式和相关结构设计，提出了新的见解和解决方案，给出实施新方案的具体措施，并对展开机构的动力特性作出较为详细的分析，为支架部件整体的轻量化设计提供了新的思路。

弹翼的气动外形设计过程中需要使用仿真软件对弹翼的气动外形进行优化，在文献基于Fluent的导弹其独特性计算[7]中，借助于商业CFD软件FLUENT．对某型空空导弹在不同攻角．不同飞行马赫效的气动力进行了计算．得出了该型导弹升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数随飞行马赫数和攻角的变化规律以及导弹表面的压力分布、温度分布和来流速度分布。

结果表明，汁算的气动参数可以为导弹的外形设计提供依据和参考．与传统计算方法相比有一定的优越性。

该文中，软件建模、参数设置等方面可以对本题目弹翼外形气动仿真过程提供参考。

(2)下面是关于弹翼展开装置的可靠性和优化设计方面的文献：
小型折叠弹翼展开机构优化设计[8]中指出，传统的设计往往是通过盲目的动力学仿真确定折叠机构的设计参数，缺点在于：一是效率非常低，二是通过盲目的仿真获取的参数无法使折叠机构的性能达到最优。

文中讨论了将折叠翼展开到位时推力做的功作为目标函数的优化设计过程，其约束方程由：a.空间布局要求，b.翼面展开位置要求，c.动力学要求三方面来确定。

另外，南京理工大学崔二巍的文章：某导弹折叠翼展开过程的仿真分析[8]对本课题的仿
真工作提供了很好的思路和样例。

在讨论展开机构的可靠性分析时，需要对组成机构的各个部件进行可靠度分配，文献基于遗传算法的曲柄连杆机构可靠性分配[9]建立了曲柄连杆机构的可靠性模型，并提出了通用的n中取k模型。

引进了可行程度和重要度两个参数，将现有的成本函数改进为广义成本函数，以改进后的广义成本函数为目标函数，以系统可靠度为约束条件，利用遗传算法对曲柄连杆机构的可靠性进行了分配。

提出了零部件重要度的确定方法，为汽车产品的可靠度分配和优化问题提出了解决方案。

王丹等在基于蒙特卡洛方法的滚珠丝杠副运动可靠性分析[10]中的分析方法，为我们在工程可靠性分析方面提供了模板和思路。

刊于《洪都科技》的：弹翼展开机构可靠性分析[11]一文提出了一种折迭弹翼机构在指定时间内展开到位的可靠性分析方法，文中采用序列响应面法和全概率定理解决了涉及机构动力学随机参数及发射攻角随机参数的双重随机性问题，基于本方法所研制的RSMM程序应用效果良好。

五．研究内容
(1).ＢＡＴ子弹药声阵列展开机构的结构特点与设计要求：包括声阵列展开机构的结构、强度、刚度、可靠性要求。

(2).弹翼及声阵列结构整体的气动布局、气动特性
(3).声阵列展开机构的优化设计，对展开机构进行运动学仿真，利用ＡＮＳＹＳ－ＦＬＵＥＮＴ流固耦合仿真软件分析展开过程的阻力特性参数
(4).基于可靠性的优化设计
六．要解决的难点问题
问题1：结构、展开驱动的设计应使得：展开机构的运动对弹体姿态影响、冲击过载最小。

弹翼和传感器支撑杆的转动运动对弹体姿态影响大小取决于两个方面：
Ａ：驱动展开运动的驱动力
Ｂ：驱动运动开始和结束时的运动速度、加速度
因此，选择驱动力的类型成为解决问题的关键。

问题2：弹翼的翼形选择。

弹翼的翼型将决定弹翼的气动参数，影响弹药的机动性能。

要想得的弹翼的气动参数，需要用仿真软件进行仿真、分析，因此想要解决此问题，需要学会熟
练操作、设置流体仿真软件。

问题3：展开机构大的结构分析、可靠性分析
目前依靠有限元方法分析弹翼结构的做法在工程实践中被广泛使用，且随着高精度单元的引入，确定性有限元计算精度越来越高，且已经开发出各种计算软件，因而针对弹翼结构问题，可以直接使用软件进行计算。

关于可靠度：最简单的随机有限元法为蒙特卡洛有限元法。

在计算机上利用随机数进行随机实验，得出应力的均值和方差或着应力的分布函数，利用所得的应力值来算出弹翼各个构件的可靠度。

考虑影响可靠度的因素，建立可靠度函数，将可靠度函数作为目标函数，进行基于可靠性的优化设计。