中口徑火炮高速排殼機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈戏抡?/h1>
2019-08-16 03:02:44劉憲福歐建新
艦船科學(xué)技術(shù) 2019年7期
許 俊，劉憲福，梁 林，歐建新
(中船重工第七一三研究所，河南 鄭州 450015)
0 引 言
隨著中口徑火炮射速的不斷提高，對(duì)排殼的速度要求也更加嚴(yán)苛。排殼速度的提高，藥筒初始能量隨之增加[1]。在高速排殼過(guò)程中，保證藥筒殘余速度和零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是優(yōu)化排殼機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵。
中口徑火炮要求排殼初始速度達(dá)到40 m/s，采用一種前排殼的方式將藥筒以一定的速度排出火炮裝置。運(yùn)用ADAMS 和Abaqus 軟件分析排殼過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，剛?cè)狁詈戏抡娼Y(jié)果作為排殼相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參考數(shù)據(jù)[2-4]。
1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論
多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)由多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)組成。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象是由多個(gè)剛體組成的系統(tǒng)，剛體之間以某種形式的約束連接，主要解決多個(gè)剛體組成的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象則是由剛體和柔體共同組成的系統(tǒng)，可以看作是多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的自然延伸。根據(jù)多柔體系統(tǒng)組成特點(diǎn)，一般以多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)中柔性體進(jìn)行不同的處理[5-6]。
多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)微分-代數(shù)方程組可表示為：
2 仿真模型的建立
利用三維軟件建立排殼機(jī)構(gòu)裝配模型，在ADAMS和Abaqus 軟件中，添加零件約束，施加載荷，得到排殼機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)模型，如圖1 所示。
圖 1 0°角排殼機(jī)構(gòu)模型Fig. 1 Discharging cartridges mechanism at 0 degree
圖1 中，排殼槽和前排殼槽固定在托架上，排殼導(dǎo)槽和藥筒可以隨發(fā)射系統(tǒng)繞耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)，火炮高低運(yùn)動(dòng)范圍為0°～85°，圖1 為高低0°角的位置。由于排殼導(dǎo)槽和藥筒繞耳軸旋轉(zhuǎn)的速度遠(yuǎn)小于40 m/s，對(duì)排殼機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)影響較小，可以忽略，因此，仿真分析時(shí)將排殼導(dǎo)槽和藥筒高低角度固定在0°～85°之間的某個(gè)位置即可。設(shè)置模型屬性、約束、接觸、驅(qū)動(dòng)速度等參數(shù)，如表1 所示。
3 仿真結(jié)果分析
3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析
藥筒在排殼導(dǎo)槽、排殼槽和前排殼槽的約束下運(yùn)動(dòng)位移先減小后增大，在0.25 s 之后藥筒排出系統(tǒng)做自由落體運(yùn)動(dòng)，藥筒位移呈線性增加。藥筒位移-時(shí)間曲線如圖2 所示。
由藥筒速度-時(shí)間曲線（見圖3）可以看出，藥筒在0.003 1 ～0.003 3 s 之間存在第1 次較大的速度突變，此處為藥筒與排殼導(dǎo)槽第1 次碰撞，是潛在的危險(xiǎn)點(diǎn)之一。在0.029 4 ～0.029 6 s 之間存在第2 次較大的速度突變，此處為藥筒過(guò)渡到排殼槽零件上的碰撞過(guò)程。在0.185 6 ～0.186 3 s 之間存在第3 次較大的速度突變，此處為藥筒進(jìn)入前排殼槽內(nèi)在彎角處產(chǎn)生的撞擊。3 次速度突變的過(guò)程為能量損失較大的過(guò)程，是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的重點(diǎn)位置。通過(guò)圖3 還可以得出，藥筒排出火炮裝置的末端速度為7.68 m/s。通過(guò)以上仿真結(jié)果可以得出，藥筒可以一定的末端速度排出火炮裝置，達(dá)到功能要求，排殼過(guò)程中藥筒存在3 次速度急劇變化的區(qū)域，此區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度的危險(xiǎn)點(diǎn)。
表 1 模型參數(shù)Tab. 1 Parameters of model
圖 2 藥筒位移-時(shí)間曲線Fig. 2 Displacement-time curve of cartridges
3.2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析
圖 3 藥筒速度-時(shí)間曲線Fig. 3 Velocity-time curve of cartridges
本文在ADAMS 中采用impact 函數(shù)定義接觸力，如圖4 為剛性排殼機(jī)構(gòu)力-時(shí)間曲線，存在7 個(gè)峰值，其中第1 次撞擊時(shí)接觸力最大，為排殼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的危險(xiǎn)點(diǎn)。圖5 為剛性排殼導(dǎo)槽力-時(shí)間曲線，即為藥筒與排殼導(dǎo)槽第1 次撞擊峰值時(shí)力的歷程曲線。
圖 4 剛性排殼機(jī)構(gòu)力-時(shí)間曲線Fig. 4 Force-time curve of the rigid discharging cartridges mechanism
圖 5 剛性排殼導(dǎo)槽力-時(shí)間曲線.Fig. 5 Force-time curve of the rigid cartridge guide
圖4 和圖5 作用力存在如下特點(diǎn)：力的峰值較大，但作用時(shí)間短，是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程。由于在ADAMS 仿真計(jì)算中采用的是剛體模型，力的峰值存在偏大的可能，所得結(jié)果可以作為有限元分析的定性參考。
通過(guò)上述分析，確定第1 次撞擊排殼導(dǎo)槽與藥筒撞擊為危險(xiǎn)點(diǎn)，采用柔性體模擬撞擊過(guò)程。在Abaqus軟件中創(chuàng)建有限元模型，添加邊界條件，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，計(jì)算碰撞時(shí)的作用力和零件內(nèi)部的應(yīng)力。圖6 為柔性排殼導(dǎo)槽力-時(shí)間曲線，柔性排殼導(dǎo)槽歷程曲線同剛性排殼導(dǎo)槽歷程曲線整體趨勢(shì)相近，但峰值大小不同，柔性體峰值更小。
圖 6 柔性排殼導(dǎo)槽力-時(shí)間曲線Fig. 6 Force-time curve of the flexible cartridge guide
圖7 為排殼導(dǎo)槽歷程應(yīng)力云圖，在整理撞擊歷程中，最大應(yīng)力值只出現(xiàn)在某個(gè)瞬態(tài)，出現(xiàn)的位置在排殼導(dǎo)板拐角處，如圖7（c）指示區(qū)域，最大瞬態(tài)應(yīng)力值為230 MPa。其中，排殼導(dǎo)槽材料極限為345 MPa，通過(guò)式（3）計(jì)算可得安全系數(shù)為1.5。
圖8 為危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間曲線，從曲線中可以得出在撞擊的過(guò)程中，應(yīng)力處于波動(dòng)狀態(tài)，波動(dòng)峰值為230 MPa，波動(dòng)周期約為2 ms。
圖 7 排殼導(dǎo)槽應(yīng)力云圖Fig. 7 Colored stress patterns of the flexible cartridge guide
圖 8 危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig. 8 The stress-time curve at the critical point
4 結(jié) 語(yǔ)
通過(guò)對(duì)高速排殼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得出一種前排殼機(jī)構(gòu)可以完成初速為40 m/s 藥筒的排殼功能，藥筒末端速度為7.68 m/s。通過(guò)對(duì)高速排殼機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真分析，將剛體和柔性體結(jié)合分析，得出高速排殼機(jī)構(gòu)排殼過(guò)程中應(yīng)力變化曲線，最大瞬態(tài)應(yīng)力為230 MPa，進(jìn)一步計(jì)算得出該排殼機(jī)構(gòu)在排殼過(guò)程中的安全系數(shù)為1.5。
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中口徑火炮要求排殼初始速度達(dá)到40 m/s，采用一種前排殼的方式將藥筒以一定的速度排出火炮裝置。運(yùn)用ADAMS 和Abaqus 軟件分析排殼過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，剛?cè)狁詈戏抡娼Y(jié)果作為排殼相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參考數(shù)據(jù)[2-4]。
1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論
多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)由多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)組成。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象是由多個(gè)剛體組成的系統(tǒng)，剛體之間以某種形式的約束連接，主要解決多個(gè)剛體組成的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象則是由剛體和柔體共同組成的系統(tǒng)，可以看作是多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的自然延伸。根據(jù)多柔體系統(tǒng)組成特點(diǎn)，一般以多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)中柔性體進(jìn)行不同的處理[5-6]。
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圖 1 0°角排殼機(jī)構(gòu)模型Fig. 1 Discharging cartridges mechanism at 0 degree
圖1 中，排殼槽和前排殼槽固定在托架上，排殼導(dǎo)槽和藥筒可以隨發(fā)射系統(tǒng)繞耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)，火炮高低運(yùn)動(dòng)范圍為0°～85°，圖1 為高低0°角的位置。由于排殼導(dǎo)槽和藥筒繞耳軸旋轉(zhuǎn)的速度遠(yuǎn)小于40 m/s，對(duì)排殼機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)影響較小，可以忽略，因此，仿真分析時(shí)將排殼導(dǎo)槽和藥筒高低角度固定在0°～85°之間的某個(gè)位置即可。設(shè)置模型屬性、約束、接觸、驅(qū)動(dòng)速度等參數(shù)，如表1 所示。
3 仿真結(jié)果分析
3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析
藥筒在排殼導(dǎo)槽、排殼槽和前排殼槽的約束下運(yùn)動(dòng)位移先減小后增大，在0.25 s 之后藥筒排出系統(tǒng)做自由落體運(yùn)動(dòng)，藥筒位移呈線性增加。藥筒位移-時(shí)間曲線如圖2 所示。
由藥筒速度-時(shí)間曲線（見圖3）可以看出，藥筒在0.003 1 ～0.003 3 s 之間存在第1 次較大的速度突變，此處為藥筒與排殼導(dǎo)槽第1 次碰撞，是潛在的危險(xiǎn)點(diǎn)之一。在0.029 4 ～0.029 6 s 之間存在第2 次較大的速度突變，此處為藥筒過(guò)渡到排殼槽零件上的碰撞過(guò)程。在0.185 6 ～0.186 3 s 之間存在第3 次較大的速度突變，此處為藥筒進(jìn)入前排殼槽內(nèi)在彎角處產(chǎn)生的撞擊。3 次速度突變的過(guò)程為能量損失較大的過(guò)程，是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的重點(diǎn)位置。通過(guò)圖3 還可以得出，藥筒排出火炮裝置的末端速度為7.68 m/s。通過(guò)以上仿真結(jié)果可以得出，藥筒可以一定的末端速度排出火炮裝置，達(dá)到功能要求，排殼過(guò)程中藥筒存在3 次速度急劇變化的區(qū)域，此區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度的危險(xiǎn)點(diǎn)。
表 1 模型參數(shù)Tab. 1 Parameters of model
圖 2 藥筒位移-時(shí)間曲線Fig. 2 Displacement-time curve of cartridges
3.2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析
圖 3 藥筒速度-時(shí)間曲線Fig. 3 Velocity-time curve of cartridges
本文在ADAMS 中采用impact 函數(shù)定義接觸力，如圖4 為剛性排殼機(jī)構(gòu)力-時(shí)間曲線，存在7 個(gè)峰值，其中第1 次撞擊時(shí)接觸力最大，為排殼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的危險(xiǎn)點(diǎn)。圖5 為剛性排殼導(dǎo)槽力-時(shí)間曲線，即為藥筒與排殼導(dǎo)槽第1 次撞擊峰值時(shí)力的歷程曲線。
圖 4 剛性排殼機(jī)構(gòu)力-時(shí)間曲線Fig. 4 Force-time curve of the rigid discharging cartridges mechanism
圖 5 剛性排殼導(dǎo)槽力-時(shí)間曲線.Fig. 5 Force-time curve of the rigid cartridge guide
圖4 和圖5 作用力存在如下特點(diǎn)：力的峰值較大，但作用時(shí)間短，是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程。由于在ADAMS 仿真計(jì)算中采用的是剛體模型，力的峰值存在偏大的可能，所得結(jié)果可以作為有限元分析的定性參考。
通過(guò)上述分析，確定第1 次撞擊排殼導(dǎo)槽與藥筒撞擊為危險(xiǎn)點(diǎn)，采用柔性體模擬撞擊過(guò)程。在Abaqus軟件中創(chuàng)建有限元模型，添加邊界條件，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，計(jì)算碰撞時(shí)的作用力和零件內(nèi)部的應(yīng)力。圖6 為柔性排殼導(dǎo)槽力-時(shí)間曲線，柔性排殼導(dǎo)槽歷程曲線同剛性排殼導(dǎo)槽歷程曲線整體趨勢(shì)相近，但峰值大小不同，柔性體峰值更小。
圖 6 柔性排殼導(dǎo)槽力-時(shí)間曲線Fig. 6 Force-time curve of the flexible cartridge guide
圖7 為排殼導(dǎo)槽歷程應(yīng)力云圖，在整理撞擊歷程中，最大應(yīng)力值只出現(xiàn)在某個(gè)瞬態(tài)，出現(xiàn)的位置在排殼導(dǎo)板拐角處，如圖7（c）指示區(qū)域，最大瞬態(tài)應(yīng)力值為230 MPa。其中，排殼導(dǎo)槽材料極限為345 MPa，通過(guò)式（3）計(jì)算可得安全系數(shù)為1.5。
圖8 為危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間曲線，從曲線中可以得出在撞擊的過(guò)程中，應(yīng)力處于波動(dòng)狀態(tài)，波動(dòng)峰值為230 MPa，波動(dòng)周期約為2 ms。
圖 7 排殼導(dǎo)槽應(yīng)力云圖Fig. 7 Colored stress patterns of the flexible cartridge guide
圖 8 危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig. 8 The stress-time curve at the critical point
4 結(jié) 語(yǔ)
通過(guò)對(duì)高速排殼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得出一種前排殼機(jī)構(gòu)可以完成初速為40 m/s 藥筒的排殼功能，藥筒末端速度為7.68 m/s。通過(guò)對(duì)高速排殼機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真分析，將剛體和柔性體結(jié)合分析，得出高速排殼機(jī)構(gòu)排殼過(guò)程中應(yīng)力變化曲線，最大瞬態(tài)應(yīng)力為230 MPa，進(jìn)一步計(jì)算得出該排殼機(jī)構(gòu)在排殼過(guò)程中的安全系數(shù)為1.5。
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