火炮射击过程是弹丸在高温、高压火药燃气推动下沿身管轴向高速运动的过程。由于身管弯曲、弹丸与身管的接触碰撞、弹带的变形、弹带与身管的高速度摩擦等因素的存在,使得弹丸运动具有不确定性,导致弹丸出炮口瞬间状态参数的扰动,而弹丸炮口状态参数是外弹道的初始条件,直接与火炮的射击精度相关。因此,建立火炮发射过程弹炮耦合动力学模型,得到弹丸膛内运动规律,揭示弹炮耦合机理,预测弹丸炮口扰动,提取弹炮耦合系统中的关键参数,对提高火炮射击精度有重要意义。针对上述问题,本文主要展开的研究内容如下:(1)基于火炮发射原理和物理结构,建立相关坐标系统用于描述身管和弹丸的相对运动;根据弹炮耦合系统的坐标系拓扑结构,以相邻刚体之间的相对运动为基础,推导系统的运动学方程;基于系统的运动学方程,根据虚功率原理,推导系统动力学方程。(2)考虑身管刚柔耦合效应,基于Timoshenko梁假设,建立多段变截面梁表示的身管模型,采用谱元法离散身管模型,得到描述身管柔性运动的动力学方程;基于浮动坐标系方法,建立了基于Timoshenko梁假设的身管刚柔耦合动力学模型。(3)对弹炮耦合问题展开研究:包括身管膛线与弹带的相互作用、身管运动对弹丸运动(平动和转动)的影响、弹丸前后定心部与身管内壁的接触碰撞、弹带与身管内壁的相互作用(弹带变形和高速摩擦),建立相应的约束方程,并整合到系统动力学方程中。(4)考虑刚柔耦合和弹炮耦合约束方程建立弹炮耦合系统动力学模型,并给出相应的动力学方程计算算法;对火炮发射过程中各种载荷进行分析,包括弹丸受到的载荷和身管受到的载荷,并根据建立的弹炮耦合系统进行模型验证和仿真分析:包括:1)通过将计算得到的身管炮口扰动结果和试验结果进行对比分析,辅助验证模型的有效性;2)身管的静态分析结果作为弹丸膛内运动过程计算的初始条件;3)以上所有初始条件代入动态计算模型进行动态计算。计算结果表明,弹丸在膛内的运动呈现明显的周期性,且随着弹丸的运动,横向运动的幅值逐渐增大,在炮口附近达到极大值。(5)基于混沌多项式展开(Polynomial Chaos Expansion,PCE)原理,提出自适应稀疏混沌多项式展开(Adaptive Sparse Polynomial Chaos Expansion,ASPCE)代理模型技术,并基于Sobol’全局灵敏度分析方法,直接由ASPCE系数获得Sobol’全局灵敏度因子。结合身管固有频率模型,构建相应的ASPCE代理模型,计算获得关键参数的全局灵敏度因子,确定关键参数。结果表明影响身管固有频率的身管关键参数共5个:炮口制退器质量Mk、身管尾端面外直径D4、身管第一外直径D3、身管第二外直径D2、身管前端面直径D1。(6)采用极大极小距离准则对基于基本效应的准优化轨迹(Quasi-Optimized Trajectory based Elementary Effects,Quasi-OTEE)方法进行了改进,结合弹炮耦合动力学模型,考虑系统输入参数的不确定性,进行全局灵敏度分析,选出关键参数。其中影响弹丸炮口状态参数的弹丸参数有8个:弹丸质心垂向位置、弹丸质心横向位置、前定心部中心纵向位置、弹丸质量、弹丸赤道转动惯量Iyy和Izz、前弹带宽度、后弹带宽度;炮身参数有8个:炮口制退器质量、身管第一外直径、身管第二外直径、身管前端面直径、弹丸挤进结束垂向速度、弹丸挤进结束横向速度、弹丸挤进结束垂向摆角速度、弹丸挤进结束横向摆角速度;弹炮耦合参数有4个:弹带等效刚度、钢-钢接触刚度、弹丸与身管间隙、身管与摇架衬瓦间隙。此外,关键参数识别结果显示影响弹丸炮口状态参数身管关键参数和影响身管固有频率的身管关键参数相一致。