КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ВІЙСЬКОВИЙ ІНСТИТУТ

СЄЛЮКОВ Олександр Васильович

УДК 623.44 : 519.876

МЕТОДИКА СИНТЕЗУ МЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ ПРИ КОНСТРУЮВАННІ АВТОМАТИЧНОЇ СТРІЛЕЦЬКОЇ ЗБРОЇ

Спеціальність 20.02.14 – озброєння і військова техніка

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-виробничій корпорації “Київський інститут автоматики”, Міністерство промислової політики України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, с.н.с., Зубарєв Валерій Володимирович, апарат Ради національної безпеки і оборони, керівник Управління з проблем військово-технічної та військово-промислової політики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сбітнєв Анатолій Іванович, Національна академія оборони України, професор кафедри інформатизації штабів;

кандидат технічних наук, доцент Попович Теофіл Дмитрович, Одеський інститут Сухопутних військ, начальник кафедри озброєння.

Провідна установа Національна академія Державної прикордонної служби України імені Б. Хмельницького, Державна прикордонна служба України, м. Хмельницький.

Захист відбудеться 27.10.2006 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .001.40 Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, Київ-680, просп. Глушкова 2, корп. 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська 58, зал 12.

Автореферат розісланий 23.09. 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ПАШКОВ С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Механічні системи (МС) відомі людству з давніх часів. До таких систем відносяться, наприклад, космічна техніка, військове озброєння, авто та мототехніка, складна побутова техніка та ін. При їхньому створенні за звичай використовується досвід аналогічних систем та застосовуються вузли й деталі, що добре зарекомендували себе. Під технологічним процесом створення систем мається на увазі комплекс задач проектування, виготовлення та випробувань. Передбачити працездатність механічної системи важко, тому в період її створення проводиться величезна кількість попередніх випробувань, що значно збільшує строк розробки і робить дорожчою конструкцію системи. Ці умови вимушують створювати системи оптимального проектування. Системи оптимального проектування відомі декілька десятиріч, при цьому оптимізації підлягає тільки один з етапів створювання систем. Етапи виготовлення та випробувань самі є задачами ітераційними і задачами багатокритеріальної оптимізації, рішення яких не гарантує збереження оптимального рішення етапу проектування, що в кінцевому випадку не гарантує оптимального функціонування створеної системи. Практичне рішення задачі оптимального створення механічних систем дає можливість створювати техніку з заздалегідь заданими властивостями, оптимальними по ряду критеріїв. У зв’язку з цим є актуальною і доцільною розробка методів та засобів технологічного процесу створення механічних систем, що дозволяють ефективно розв’язати задачі створення оптимальних складних технічних систем. Згадане вище обумовлює актуальність використання методів та засобів оптимізації створення оптимальних механічних систем, що складає сутність наукового завдання, що вирішується, та впровадження новітніх інформаційних технологій для підвищення ефективної реалізації згаданих методів та засобів. Результати цієї роботи можуть знайти використання в роботі конструкторських бюро при створенні механічних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження в області створювання механічних систем напряму пов'язані з планами організації, де працює автор, вона є підприємством розробником – Державне підприємство “Науковий центр точного машинобудування” (ДП “НЦТМ”). Уставною діяльністю цієї організації є діяльність, пов'язана з проведенням робіт по розробці та виробництву виробів спецтематики в інтересах Міноборони, Міністерства Внутрішніх Справ, Служби Безпеки України та інших силових структур. ДП “НЦТМ” є активним учасником “Державної програми розвитку озброєння та військової техніки”, особливо частини 3 “Програми розвитку озброєння та військової техніки загальновійськового призначення”.

Робота виконана в рамках дослідно-конструкторської роботи (ДКР), шифр “Вепр” на замовлення Міністерства оборони України, № V000300, мета якої полягає у створенні автомата, що не поступається автоматові Калашникова по надійності, але перевершує його по купчастості стрільби, де особисто автором удосконалено методику визначення показників ефективності перспективних видів стрілецької зброї та розроблена нова модель структурного синтезу стрілецької зброї.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є створення автоматичної стрілецької зброї з підвищеною купчастістю стрільби. Задачі, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:

1) аналіз існуючих методів багатокритеріальної оптимізації в задачах проектування МС;

2) удосконалення технологічного процесу (ТП) оптимального проектування МС;

3) розробка алгоритму обґрунтування напрямків конструювання МС методом критеріальних досліджень;

4) розробка алгоритму синтезу МС методом динамічного програмування;

5) реалізація методів критеріальних досліджень та динамічного програмування у вигляді відповідних програмних додатків до існуючих комп’ютерних систем проектування і розв’язання з їхньою допомогою реальних практичних задач.

Об'єкт дослідження – проектування перспективної стрілецької зброї.

Предмет дослідження – методи моделювання конструкцій механічних систем при проектуванні перспективної стрілецької зброї.

Методи дослідження. Використовувались: метод Парето, для одночасного врахування всіх основних локальних критеріїв якості; метод дослідження простору параметрів, для аналізу множини параметрів точками послідовності; метод векторної ідентифікації, для визначення параметрів побудованої математичної моделі об’єкта за даними про реакції об’єкта на відомі зовнішні збурювання; метод динамічного програмування, для структурного синтезу МС.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Удосконалено методику визначення показників ефективності перспективних видів стрілецької зброї. На відміну від існуючих, удосконалена методика базується на використанні квадратичних поліномів, що забезпечує визначення критеріальних функцій для всіх видів стрілецької зброї.

2. Розроблена нова структурна модель стрілецької зброї, яка дозволяє при синтезі нових зразків застосувати метод динамічного програмування, що в свою чергу дає можливість забезпечувати необхідний рівень концептуальних тактико-технічних характеристик перспективних зразків автоматичної стрілецької зброї.

3. Удосконалено методику розрахунків концептуальних тактико-технічних характеристик перспективних видів стрілецької зброї. На відміну від існуючих, наведена методика заснована на використанні матричного диференціювання, що забезпечує знаходження безумовного мінімуму критеріальної функції ефективності стрілецької зброї.

Практичне значення одержаних результатів. Модифікований ТП розробки, виготовлення та випробувань виробів МС дозволяє значно підвищити ефективність роботи конструкторських відділів, які займаються розробкою сучасних МС. Результати, що отримані в дисертаційному дослідженні, реалізовані та впроваджені у практичну роботу Державного підприємства “Науковий центр точного машинобудування” Національного космічного агентства України.

Принципи, теоретичні засади, аналіз існуючих методів оптимального проектування та дисертаційні дослідження, зокрема, синтез механічних систем методом динамічного програмування, реалізовані в рамках виконання дослідно-конструкторської роботи, шифр “Вепр” на замовлення Міністерства оборони України. Результати дисертації дозволили створити конструкцію першого українського автомата, який успішно пройшов комплекс іспитів у різних силових відомствах країни.

Особистий внесок здобувача. Зі спільних публікацій особисто здобувачеві належать: у [1] – синтез механічної системи методом динамічного програмування, у [2] – система комп’ютерного моделювання в машинобудуванні, у [3] – методика розрахунку концептуальних тактико-технічних характеристик перспективних видів техніки, [4] – варіант структури системи для прийняття рішень при обґрунтуванні перспектив і напрямків розробки виробів військової техніки, у [5] – розроблена системи підтримки прийняття рішень при конструюванні на основі застосування метода динамічного програмування, у [6] – розроблений процес моделювання гнучких технологічних середовищ в системах управління натурного відпрацювання складних технічних систем у [7] – розроблена системи підтримки прийняття рішень при конструюванні на базі застосування метода динамічного програмування. Ідеї співавторів у дисертаційній роботі не використовувалися.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень оприлюднено на науково-практичній конференції “Проблеми створення та перспективи розвитку стрілецького озброєння в Україні” – (НТУУ “КПІ” 2001, м. Київ,); на науково-практичній конференції з міжнародною участю “Системи підтримки прийняття рішень. Теорія і практика”, (2005 р., Україна, м. Київ); Сєлюков О.В. Оружейный бизнес. Доповідь на прес-конференції / Defense Express. (28 серпня 2003 р., УНІАН м. Київ); Сєлюков О.В. “Культовое” дело, Доповідь на прес-конференції / Defense Express. (13 серпня 2004 р., УНІАН м. Київ); Сєлюков О.В. Українські винахідники і їх винаходи. Розмова (27 січня 2004 р., Громадське радіо, 20:05 год.); в рамках 5-ї міжнародної спеціалізованої виставки “Зв’язок та телекомунікації” на міжнародній науково-технічній конференції “Аудіовізуальні системи та технології” (5-7 травня 2005 року в м. Одеса); на четвертій міжнародній науково-практичній конференції “Комп’ютерні системи в автоматизації виробничих процесів”, (19-21 травня 2005 р. м. Хмельницький); на 8-й міжнародній науково-практичній конференції на тему “Еволюція транспортних мереж телекомунікацій. Проблеми побудови, розвитку і управління”, (25-27 травня 2005 р. м. Ялта); на 6-й науково-практичній конференції “Актуальні проблеми регулювання зв'язку в Україні”, (22-23 червня м. Київ); на методичному зборі з керівним складом Військової служби правопорядку у Збройних Силах України, (6-8 липня 2005 р. м. Вінниця).

Публікації. Результати досліджень опубліковано в 7 статтях (одна стаття без співавторів) у фахових наукових виданнях та 1 тез доповіді. Крім того, результати викладено у звіті про ДКР “Вепр”.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і шести додатків. Обсяг дисертації – 203 сторінок, з яких 41 сторінки займають ілюстрації, таблиці та список використаних джерел, який містить 176 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі дана оцінка моделювання механічних систем. Відмічено, що практичне рішення проблеми моделювання механічних систем дає розробникам інструмент для оцінки поведінки системи в різних умовах. Так, наприклад, стрілецька зброя повинна зберігати працездатність після тривалого занурення у воду, при стрільбі під різними кутами до горизонту й у великому діапазоні температур. З другого боку, процес конструювання – ітераційний процес. Уводячи новий елемент або модифікуючи існуючий елемент конструкції важко оцінити працездатність конструкції у цілому. З використанням моделювання відпадає необхідність кожен раз виготовлювати нову деталь, збирати весь виріб, а потім проводити комплекс випробувань.

Обумовлені підстави для проведення дослідження, охарактеризований об'єкт дослідження, предмет дослідження, методи дослідження, наукова новизна дослідження, оприлюднення результатів дослідження.

У першому розділі викладено загальні аспекти створення механічних систем. Проаналізовані існуючі підходи до проблеми моделювання складних механічних систем та сформульована постановка наукової задачі дослідження. Детально розглянуті різні типи задач моделювання складних систем і структурних особливостей властивостей моделюючих об'єктів та зроблено висновок про доцільність розробки моделей механічних систем, що поєднують можливості як систем моделювання, так і систем автоматизованого проектування.

Наведена повна характеристика середовища створення моделей складних механічних систем. Викладені основні поняття та положення щодо методу системного аналізу, загальної концепції систем, концепції систем класичної механіки. Розглянуті всі етапи побудови моделі стрілецької зброї, сформульований комплекс задач дослідження сучасної зброї, виділені основні етапи прикладного математичного дослідження автоматичної зброї. Зроблений загальний огляд процесу функціонування стрілецької зброї, описана технологія виробництва пострілу. Показано, що у механізмах автоматичної зброї існує чітко виражена нерівномірність руху, і весь період роботи механізмів має ознаки неусталеного стану руху. Це являється характерною відмінністю роботи механізмів автоматичної зброї, що визначає її переважне значення для опису роботи сил інерції ланок механізмів. Осі деталей механізмів автоматичної зброї мають переважно поступальний характер руху. Обертальний рух, як правило, для деталей механізмів зустрічається в межах кутових поворотів. Зупинка й початок руху багатьох механізмів супроводжується ударом. Зв'язки між ланками механізмів нерідко бувають односторонніми. З цього приводу сформульований комплекс вимог щодо роботи моделюючої програми, розглянутий ряд систем моделювання, які широко застосовуються у теперішній час у практиці прикладного програмування для моделювання механічних систем.

У другому розділі викладено загальну методику й основні методи досліджень. Загальна методика моделювання складних механічних систем на прикладі стрілецької зброї націлена на оцінку впливу конструкції автомата на купчастість стрільби.

В якості основного методу дослідження використовувалось структурне моделювання, оскільки у вихідній задачі не існує закінченої математичної постановки задачі, не визначені види функцій і не зафіксовані області значень оцінюваного параметра та параметрів, що спостерігаються, необхідно імітувати різноманітні реальні процеси й зміну ситуацій у багатьох відношеннях. Процес структурного моделювання полягає в тому, щоб на кожному з етапів поелементного конструювання автомата оцінювати збалансованість зброї у різних площинах відносно місця її тримання, а точніше – в області рукоятки управління вогнем. Шляхом цілеспрямованого перебору різних варіантів вузлів автомата та їх розміщення й кріплення вибирається конструкція, що має кращі характеристики по збалансованості. Дана конструкція буде мати моменти сил, що забезпечують кращу купчастість стрільби. Потужність сучасних ЕОМ дозволяє обчислювати дані центри мас вузлів та їх масогабаритні показники, контролювати лінійні розміри деталей, які сполучаються, і таким чином, вирішити задачу синтезу нової конструкції зброї.

Задача оцінки впливу конструкції зброї на купчастість стрільби може бути описана наступним виразом:

,

де И – задача створення конструкції автомата, який не поступається по надійності автоматові АК-74, але перевищує його по купчастості стрільби;

о – комплекс інструкцій по управлінню процесом розробки стрілецької зброї;

Z – комплекс початкового Z0, проміжного Zi та кінцевого Zn станів розробки зброї;

F – комплекс продукції, який повинен бути перетворений у послідовність реалізуємих операторів , що дозволять здійснити перехід від попереднього стану до наступного, щоб досягти о цілей.

И0 – прототип зброї, характеристики якої покращуються в даному дослідженні.

У якості оцінюваного параметра при моделюванні виступає купчастість стрільби, яка в основному визначається: якостями самого стрілка, “прикладистістю” самої зброї, якістю прицільних пристроїв, балістикою зброї, дією віддачі та іншими факторами. Рішення вищевказаної задачі забезпечується шляхом управління дією сил віддачі.

Якщо центр ваги зброї, наприклад, лежить лівіше або правіше від осі ствола, то кут відхилення ствола при пострілі від початкового положення визначається за формулою:

, (1)

де І – момент інерції зброї відносно осі обертання;

m – маса кулі;

V – швидкість кулі;

tв – час вильоту кулі з каналу ствола;

r – зміщення центру ваги відносно осі каналу ствола;

L – довжина нарізної частини ствола.

З виразу (1) видно, що чим важча куля, довший ствол і легша зброя, тим більш чуттєвою буде зброя до розміщення центру ваги у сенсі влучності.

Більш складні моменти сил виникають при розгляді опорних реакцій. Кількість і вид опор визначається положенням при стрільбі. В моделі враховані наступні положення для стрільби: лежачи з упора, лежачи з руки, із коліна, стоячи з опору, стоячи з руки, на ходу.

При цьому створення конструкції зброї здійснюється з урахуванням технології виробництва пострілу, формалізований опис якої наведений у роботі.

У моделі автоматичної стрілецької зброї, в якості однієї з критеріальних функцій вибрана купчастість стрільби. Аргументами цієї критеріальної функції будуть тактико-технічні характеристики (ТТХ) усієї зброї: компоновочні, масові, геометричні характеристики зброї, балістичні характеристики патрона, що застосовується та ін. Очевидно, що повний облік ТТХ зброї у критеріях ефективності привів би до невиправданого ускладнення критеріальних функцій та до надмірних труднощів рішення задачі оптимізації. Тому природним є пошук найбільш інформативних ТТХ – координат критеріального простору, в якому буде здійснюватися екстремізація введених критеріїв. Рішення задачі створення зброї, яка не поступається по надійності автоматові АК-74, але перевищує його по купчастості формально описується координатами точки в багатомірному просторі концептуальних ТТХ. Рівняння існування виділяє в цьому просторі область технічно реалізуємих у перспективі рішень (рис. 1). Раціональну технічну концепцію належить шукати поблизу точок вибіркової множини, що мають достатньо високий рівень показників цільової й економічної ефективності.

Рис. 1. Залежність значення купчастості стрільби від вартості складових частин стрілецької зброї.

Таким чином, задані критеріальні функції носять чітко виражений вартісний характер та відшуковуються в класі квадратичних поліномів, методи досліджень яких відомі:

,

або у матричному вигляді:

,

де Ao = aoo –скаляр, вільний член апроксимуючого полінома;

yT = [y1, y2, …, ym] – вектор концептуальних ТТХ зброї;

A1 = [a1, a2, …, am] – вектор апроксимуючих коефіцієнтів при перших ступенях характеристик;– 

симетрична позитивно визначена матриця квадратичної форми, що складається з апроксимуючих коефіцієнтів при других степенях характеристик.

Якщо встановлений зв'язок між значеннями концептуальних ТТХ зброї та критеріальною функцією, то задача вирішується тривіально складанням системи рівнянь

,

де і – число аналогічних варіантів зброї, де пов'язані значення наборів ТТХ зброї зі значенням його критеріальної функції.

Для розглянутої методики число невідомих параметрів akl рівне:

,

або у графічному вигляді (рис. , лінія (m+1)/2), тому для визначеності отриманої системи рівнянь необхідно, щоб i>N. Далі визначається потрібне значення коефіцієнтів полінома.

Для забезпечення достатності умов визначеності одержаної системи рівнянь, де кількість порівнюваних аналогічних варіантів зброї (і) визначається за формулою

,

або у графічному вигляді (рис. 3, лінія (m+1)(m+2)/2).

Так, наприклад, для одномірного простору ТТХ (m=1) необхідно підібрати три аналоги, а для апроксимації за чотирма ТТХ – уже 15 аналогів.

Значення ТТХ та їх кількість вибираються по наступному принципу. Так як ТТХ звичайно, задаються допустимим діапазоном своєї зміни [ymin, ymax], наприклад, діапазон робочих температур, то очевидно, що найбільш інформативним із точки зору отримання значення критеріальних функцій є бінарне задавання ТТХ:

У випадку m-мірного критеріального простору число можливих комбінацій бінарного способу задавання ТТХ складає 2m, причому необхідна умова визначеності системи рівнянь складає:

,

починає виконуватися для m ? 4 (рис. , лінія ).

У випадку m<4 в область задавання концептуальних ТТХ спеціально додається третя точка, наприклад, не тільки мінімальна та максимальна дальність, а й дальність прямого пострілу, при цьому умова визначеності:

,

виконується навіть для однієї характеристики купчастості (рис. 2, лінія ).

Рис. 2. Залежність кількості випробувань від кількості параметрів.

Таким чином, за допомогою запропонованої методики забезпечується розрахунок показників ефективності перспективних видів стрілецької зброї.

В основу запропонованої структурної моделі стрілецької зброї покладено метод динамічного програмування, який забезпечує визначення необхідного рівня концептуальних тактико-технічних характеристик перспективних зразків автоматичної стрілецької зброї.

Передбачається, що зброя складається з n блоків (вузлів), кожен з k яких характеризується рядом s управляючих параметрів:

,

де – геометричні розміри блока;

– координати центру ваги блока;

– координати головного вектора сил, що прикладається до блока.

При цьому у будь-який момент часу конструкція зброї характеризується рядом параметрів стану або фазовими координатами:

,

де – -геометричні розміри системи;

– координати центру ваги системи;

– координати головного вектора сил, що прикладається до системи.

У такому випадку процес синтезу конструкції зброї може бути представлений у вигляді наступної діаграми (рис. 3).

Рис. 3. Основні етапи синтезу конструкції зброї.

де n – загальна кількість блоків (вузлів) зброї;

– фазові координати зброї після додання k блоків;

z – функція збалансованості зброї.

Нехай в якості цільової функції z у конструкції виступає максимальна збалансованість конструкції зброї:

.

Сумарна ефективність від к-го до наступного n-го кроку записується так:

.

У даному випадку під синтезом мається на увазі перехід конструкції зброї зі стану до стану шляхом додавання в конструкцію блоків , , де, , , … , – стан конструкції зброї після додавання першого, другого, ... , п-го блока.

Початковий стан і кінцевий стан можуть бути задані однозначно або можуть бути вказані множина Щ0 початкових станів і множина Щn кінцевих станів так, що , . У цьому випадку задача синтезу полягає у визначенні сукупності допустимих управлінь, шляхом додавання нових елементів (блоків) в систему, які переводять систему з початкового стану у кінцевий стан , і максимізують цільову функцію Z.

При синтезі механічних систем змінні управління приймають тільки дискретні значення. Для простих систем вектор являє собою скалярну величину (довжина, маса). Частіше за все вектор – багатомірний, наприклад, координати по осях X, Y, Z.

Трудомісткість задачі синтезу такої моделі визначається, головним чином, розмірністю задачі [r х S]. Відомо, що при синтезі механічної системи, що складається з декількох десятків блоків, розмірність задачі складає десятки тисяч. Вибрати серед такої кількості варіантів найоптимальніший без сучасних обчислювальних засобів, у доступний до огляду час практично неможливо.

В роботі визначені терміни, які застосовуються для оцінки купчастості стрільби: природне розсіювання куль, сніп траєкторій, середня траєкторія, середня точка влучення, площа розсіювання, осі розсіювання, відхилення, закон розсіювання, серцевинна смуга, повне (сумарне) розсіювання. Надана характеристика одиницям виміру розсіювання та помилок підготовки вихідних даних і технічного розсіювання. Застосована методика розрахунку ймовірностей поразки нерухомих цілей, у загальному випадку, зводиться до наступних етапів:

- визначається повне відхилення, відповідно по висоті (Ввп) та боковому (Вбп) напрямку;

- осі розсіювання проводяться через центр мішені;

- на осі розсіювання накладається сітка, що складається з прямокутників із розмірами Ввп та Вбп;

- знаючи ймовірності влучення в кожен прямокутник сітки й розміри мішені в кожному прямокутнику сітки, підраховується ймовірність поразки цілі.

У третьому розділі запропоновано удосконалену методику розрахунків концептуальних тактико-технічних характеристик перспективних видів стрілецької зброї.

Будь-яка МС характеризується рядом q основних характеристик або параметрів, які однозначно позиціонують її у своєму класі. Звичайно, таких характеристик () декілька, і вони утворюють q-мірний вектор y. Якість такої системи оцінюється по сукупності суперечливих часткових критеріїв, що являють собою функції параметрів y і утворюють m-мірний вектор-функцію f:

,

де ,

q – кількість числових значень характеристики yj.

Знаючи оптимальне значення критерію та коефіцієнти апроксимуючого полінома, а також область існування , можна визначити єдиний набір ТТХ , який однозначно визначає облік перспективної техніки.

Зіставляючи отримані значення із заданими діапазонами зміни цих характеристик , оцінюється приналежність отриманого оптимального рішення області допустимих рішень Y. В тому випадку, коли рішення є недопустимим, необхідно скоректувати це рішення з урахуванням заданої системи параметричних обмежень:

. (2)

Існує декілька способів визначення координат екстремальних рішень з урахуванням обмежень (2), які базуються на методі множників Лагранжа.

Ідею використання одного з них ілюструє рис. , де приведені проекції ліній рівних ефективностей , обмежень виду (2) і області допустимих рішень Н на площину Y1ОY2 .

Таким чином, рішення задачі мінімізації критеріальної функції в умовах обмежень (2) полягає у визначенні координати безумовного мінімуму критеріальної функції з використанням правил матричного диференціювання.

Рис. 4. Графічне відображення процесу визначення оптимальних характеристик при наявності обмежень.

Якщо точка мінімуму належить області допустимих рішень, то задача вирішена.

Досліджена концепція структурного моделювання автоматичної стрілецької зброї. Процес структурного моделювання полягає в тому, що на кожному з етапів поелементного конструювання автомата оцінювати збалансованість зброї у різних площинах відносно місця її тримання. Поелементне конструювання автомата базується на детальному розбиранні підходящих по типу існуючих конструкцій, виявленні всіх позитивних їх сторін та врахуванні негативних якостей. В основу моделювання покладений базовий варіант автомата АК-74, у зв’язку з чим виявлення балістичних властивостей автомата та вибір патрона за балістичними та конструктивними даними не є предметом вивчення при моделюванні й зберігається у відповідності з аналогом.

Модель автомата складатиметься з таких основних структурних елементів: ствол, ствольна коробка, спусковий механізм, вузол цівки, вузол рукоятки перезаряджання, рама затворна, приціл. У моделі цикл перезаряджання зведений у загальних рисах до наступного: розчеплення затвора зі стволом, відділення затвора від ствола (відкривання затвора), витягування стріляної гільзи з патронника, видалення стріляної гільзи зі зброї, перенесення чергового патрона до відкритого ствола (до приймальника), досилка чергового патрона в патронник, закривання ствола з казенної частини затвором, запирання затвора. Паралельно цьому циклу здійснюється цикл роботи стріляючих пристроїв: зведення ударника (курка), спуск ударника (курка).

Вирішені питання структурного моделювання автомата, а також розглянуто особливості всіх існуючих типів систем автоматики зброї та схем запираючих пристроїв зброї й визначено можливості організації її елементів. Проаналізований комплекс програмних продуктів моделі. Моделююча програма побудована на базі комплексу програмних продуктів AUTOCAD INVENTOR 9.

Визначена множина операцій у моделі та визначені показники при проведенні випробувань. Технологічна множина операцій у моделі скінчена, всі операції автомата перенумеровані. Кожна операція у автомата характеризується через відношення взаємодіючих елементів: виконавчі елементи конструкції, технічні засоби взаємодії, вид взаємодії, витрачувані ресурси елементів, сповіщаючи ресурси елементів. У моделі, операції можуть проводитися послідовно в часі або ж деякі з них можуть вироблятися одночасно. Випробування автомата, побудованого за допомогою вищеописаної моделі, здійснюється реальною стрільбою, при цьому методика випробувань враховує дальність стрільби, різні положення для стрільби, різні серії пострілів, статуру та зріст стрілка і т. ін.

У четвертому розділі надані відомості про проведені теоретичні й експериментальні дослідження.

Надано інформацію про компонування автомата. За допомогою моделі, побудованої на принципах викладених у другому розділі, а також моделюючої програми, які викладені у третьому розділі, створена конструкція автоматичної стрілецької зброї (автомата) під шифром “Вепр” у виді дослідних зразків автомата “Вепр” (рис. 5), у кількості 10 штук. Компонування змодельованого автомата відрізняється від класичного компонування автоматів, оскільки пістолетна рукоятка розміщена попереду магазина, в автоматі АК-74, який зображений на рис.6 – позаду.

Дослідні зразки автомата пройшли комплекс випробувань у випробувальній лабораторії Державного підприємства “Науковий центр точного машинобудування”. Одним із видів випробувань були випробування дослідних зразків “Вепр” на купчастість і стабільність стрільби.

Рис. 5. Автомат “Вепр”.

Рис. 6. Автомат АК-74.

Проаналізовані переваги обраної конструкції автомата.

Перевага спроектованої конструкції полягає в тому, що вона у порівнянні з класичним компонуванням дозволяє значно зменшити довжину зброї. Автомат АК-74 має довжину без багнета-ножа - 940 мм, автомат "Вепр" -702 мм. Така компоновка зброї має назву "буллпап".

При стрільбі, наприклад, з окопу фронтальна проекція стрілка з будь-якою сучасною серійною зброєю, виконаною по компонуванню "буллпап" істотно більше, ніж у стрільця з АКМ (десь 0,01–0,02 м2). Через те, що приціл розташований високо над віссю каналу ствола, також легко в гарячці бою забути куди спрямований дуловий зріз, особливо коли необхідно стріляти з окопів, бійниць, вікон або стін, і вистрілити в землю або в стіну замість мети, видимої у приціл.

У розглянутій конструкції величина фронтальної проекції стрілка не більше, ніж у стрільця з АК-74, а також є можливість застосування відкритого діоптричного прицілу з довжиною прицільної лінії до 370 мм. Для порівняння – АК-74 має довжину прицільної лінії 379 мм, найвідоміший автомат "буллпап" “Steyr AUG” (Австрія) – 180 мм.

В результаті проведених досліджень, для забезпечення необхідних величин купчастості бою, а також необхідної керованості автомата при автоматичному вогні, у конструкцію закладені наступні конструктивні рішення:– 

Ствол має вільне осідання – жоден із конструктивних елементів ствола не кріпиться жорстко до ствола.– 

Конструкція цівки й кришки ствольної коробки дозволяє значно зменшити температурну асиметрію ствола через бічний вітер і атмосферні опади.– 

Ложа збільшує твердість ствольної коробки. Виключена необхідність зняття її при відході за зброєю, зберігається максимально стабільне положення ложі.– 

Поліпшена масосиметрія частин автоматики, що рухаються.– 

Змодельований автомат збалансований з точки зору утримання при стрільбі. Так, центр ваги автомата з повним магазином і готовим до стрільби розташований на відстані 8 мм попереду точки утримання. При стрільбі в положенні затвора у задньому положенні центр ваги розташований на 14 мм попереду точки утримання. При цьому при утриманні автомата виникають моменти сил 0,3 Дж і 0,5 Дж відповідно, що для руки дорослої людини є невеликими величинами. Обидва вище перераховані моменти знаходяться у межах пістолетної рукоятки, за яку і здійснюється утримання автомата. Дія на руку при стрільбі настільки мала, що дозволяє при цьому другу руку звільнити зовсім. – 

Конструкція цівки й кришки ствольної коробки забезпечує підлягаючу вентиляцію ствола.– 

Конструкція рукоятки перезарядження дозволила цілком захистити внутрішню порожнину ствольної коробки і частин автоматики, що рухаються, від прямого влучення сторонніх часток, бруду, пилу й інших сторонніх предметів. Крім того, дана конструкція цілком виключає наявність зовнішніх частин автомата, що рухаються, при стрільбі, що приводить до неможливості нанесення травм стрільцеві й іншим особам при стрільбі з будь-яких положень.– 

Цівка має форму й конструкцію, що сприяє надійному утриманню й підвищенню керованості зброєю при автоматичному вогні, а також запобіганню руки від зісковзування до нагрітого ствола.– 

Конструктивно забезпечені можливості для укомплектування автомата підствольним гранатометом, причому без будь якої опори на ствол, що цілком зберігає показники купчастості й приведення до нормального бою. – 

Цілком збережена така важлива характеристика автомата АК-74, як легкість розбирання для чищення й змащення.– 

Безшумні конструкції антабок і запобіжника, що для зручності стрільця виділений в окремий механізм.– 

Виключено можливість температурних опіків при будь-якому утриманні зброї.– 

Виключено ефект "марева" при інтенсивній стрільбі.– 

Підвищена ергономічність розташування основних органів керування.

Проаналізовані закордонні аналоги, та відомі зразки зброї з аналогічною компонуванням вузлів та деталей, які прийняті на озброєння в наступних країнах: Австрія, США, Фінляндія, Франція, Англія, Китай, Ізраїль.

Проведений аналіз результатів стрільби, який показав, що по критерію купчастості стрільби, автомат “Вепр” значно перевершує закордонні аналоги.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної наукової задачі, яка полягає у створенні структурної моделі та елементів механічних систем при конструюванні автоматичної стрілецької зброї. На основі застосування системного підходу, ідей і методів структурного моделювання, теорії загальної концепції систем, концепції систем класичної механіки, створені аналітичні й програмні засоби оптимізації, застосування яких дозволить суттєво поліпшити процес проектування та конструкторських розробок сучасного стрілецького озброєння.

Головні наукові і практичні результати роботи:

1. Удосконалено методику визначення показників ефективності перспективних видів стрілецької зброї. Наукова новизна методики полягає в тому. що вона заснована на використанні квадратичних поліномів, що забезпечує визначення критеріальних функцій для всіх видів стрілецької зброї.

2. Розроблена нова структурна модель стрілецької зброї. Наукова новизна наведеної моделі полягає в тому, що вона дозволяє під час синтезу застосувати метод динамічного програмування, що у свою чергу дає можливість забезпечувати необхідний рівень концептуальних тактико-технічних характеристик перспективних зразків автоматичної стрілецької зброї.

3. Удосконалено методику розрахунків концептуальних тактико-технічних характеристик перспективних видів стрілецької зброї, На відміну від існуючих наведена методика забезпечує знаходження безумовного мінімуму критеріальної функції ефективності стрілецької зброї.

На основі отриманих наукових результатів розроблені і програмно реалізовані алгоритми, які були використані при розробці комп’ютерної технології моделювання механічних систем, призначеної для моделювання роботи стрілецького озброєння при його створенні.

Створений за допомогою розробленої моделюючої програми автомат “Вепр”, значно перевершує закордонні аналоги по критерію купчастості стрільби при тотожних інших характеристиках.

Таким чином, розроблена в дисертаційній роботі структурна модель стрілецького озброєння є результатом вирішення сформульованої наукової задачі і дозволяє досягти мети дослідження по створенню автоматичної стрілецької зброї з підвищеною купчастістю стрільби.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Козлик Г.О., Селюков О.В. Синтез механічної системи методом динамічного програмування // Вісник Хмельницького національного університету. – Хмельницький, – 2005. – № 4. – С.23–26.

2. Козлик Г.О., Селюков О.В. Деякі системи комп’ютерного моделювання в машинобудуванні // Автоматизація виробничих процесів. – 2005. – № 1. – С.37–39.

3. Козлик Г.О., Селюков О.В. Методика розрахунку концептуальних тактико-технічних характеристик (ТТХ) перспективних видів техніки // Автоматизація виробничих процесів. – 2005. – № 2. – С.32–38.

4. Козлик Г.О., Селюков О.В. Варіант структури системи для прийняття рішень при обґрунтуванні перспектив і напрямків розробки виробів військової техніки // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. –2005. – № 1. – С.92–97.

5. Козлик Г.О., Селюков О.В. Системи підтримки прийняття рішень при конструюванні на основі застосування метода динамічного програмування // Технология приборостроения. –2005. – № 1. – С.35–38

6. Лєнков С.В., Лантвойт О.Б., Сєлюков О.В. Моделювання гнучких технологічних середовищ в системах управління натурного відпрацювання складних технічних систем. // Збірник наукових праць Національної академії Державної прикордонної служби України імені Б. Хмельницького. – Хмельницький, 2006. – №35. – С.27–32.

7. Селюков А.В. Теория и практика на примере разработки стрелкового оружия // Акцент. – 2006. – №5-6. – С.39–42.

8. Козлик Г.О., Селюков О.В. Системи підтримки прийняття рішень при конструюванні на базі метода динамічного програмування // Збірник доповідей науково-практичної конференції з міжнародною участю “Системи підтримки рішень. Теорія і практика”. – Київ: ІПММС НАНУ, 2005. – С. 120–123.

Крім цього, окремі результати дисертації викладено в звіті про ДКР “Вепр”, № V000300, на технічні рішення, що реалізують наукове дослідження подано 9 заявок на винахід (“Автомат “Вепр” № , “Вузол перезаряджання” № S 200501311, “Вузол кріплення цівки” № S 200501463, “Діоптричний приціл” № S 200501216, “Вузол запобіжника” № S 200501312, “Конструкція гранатомета” № S 200501309, “Конструкція мушки” № S 200501308, “Механізм стопора вузла цівки” № S 200501310, „Оптичний приціл” № S 200504972).

АНОТАЦІЯ

Сєлюков О.В. Методика синтезу механічних систем при конструюванні автоматичної стрілецької зброї. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 20.02.14 – озброєння і військова техніка. – Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Київ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена моделюванню роботи стрілецького озброєння. У дисертації одержані наступні наукові результати, а саме: удосконалено методику визначення показників ефективності перспективних видів стрілецької зброї, розроблена нова структурна модель стрілецької зброї та удосконалено методику розрахунків концептуальних тактико-технічних характеристик перспективних видів стрілецької зброї.

На основі наведених наукових результатів створена конструкція автомата, який не поступається автоматові Калашникова по надійності, але перевершує його по купчастості стрільби. Дана модель впроваджена в провідній організації по створенню сучасного стрілецького озброєння – на Державному підприємстві “Науковий центр точного машинобудування” Національного космічного агентства України.

Ключові слова: стрілецьке озброєння, структурна модель, купчастість стрільби, “Вепр”.

АННОТАЦИЯ

Селюков А.В. Методика синтеза механических систем при конструировании автоматического стрелкового оружия. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 20.02.14 – вооружение и военная техника. – Военный институт Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, 2006.

Диссертация посвящена решению научной задачи по разработке моделей и методик проектирования перспективных образцов стрелкового оружия. Для решения данной задачи детально проанализированы различные подходы и существующие методы многокритериальной оптимизации проектирования сложных механических систем. Показано, что известные методы и методики имеют целый ряд ограничений и не гарантируют получения оптимального варианта создания стрелкового оружия. Это вызвано тем, что довольно трудно математически описать процесс функционирования стрелкового оружия, т.к. в его механических системах весь период работы основных элементов имеет признаки неустановившегося состояния. Кроме того, остановка и начало движения многих механизмов сопровождается ударами.

Основними научными результатами дисертации являются разработка методики определения показателей эффективности перспективных видов стрелкового вооружения, новизна которой состоит в том, она основана на использовании квадратичных полиномов, что обеспечивает определение критериальных функций для всех видов стрелкового оружия. Разработана новая структурная модель стрелкового оружия, которая основана на использовании метода динамического программирования, что дает возможность обеспечить необходимый уровень концептуальных тактико-технических характеристик перспективных образцов стрелкового оружия. Усовершенствована методика расчета концептуальных тактико-технических характеристик перспективных видов стрелкового оружия с использованием матричного дифференцирования, что обеспечивает определение безусловного минимума критериальной функции.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе проведенного структурного синтеза обоснованы и реализованы концептуальные тактико-технические характеристики в перспективном образце автомата “Вепрь”, которые превышают заграничные аналоги.

Ключевые слова: стрелковое вооружение, структурная модель, кучность стрельбі, “Вепрь”.

SUMMARY

Selukov A.V. Technique of synthesis of mechanical systems at designing of automatic rifle weapons. – Manuscript.

Thesis on obtaining of a scientific degree of the candidate of technical sciences on the speciality 20.02.14 – armament and military technique. The Kiev National Taras Shevchenko University, Military Institute. Kyiv, 2006.

The activity is dedicated to simulation of activity of rifle weapons. In a thesis the following scientific outcomes, namely are obtained: is advanced a technique of definition of parameters of efficiency of perspective kinds of rifle weapons, the new structural model of rifle weapons is designed and is advanced a technique of calculation of conceptual tactics-characteristics of the automatic control unit, which one does not succumb to the automatic control unit Kalashnikov on reliability but surpasses it on a slosely-grouped fire.

The given model is inserted in parent organization on creation of modern rifle arms - on State firm „Centre of science of precise engineering „ of National space agency of Ukraine.

Keywords: rifle arms, structural model, slosely-grouped fire, „Vepr”