陳 燦,錢林方,石海軍,陳光宋
(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)
隨著火炮技術(shù)向著高速、輕量化和自動化方向發(fā)展,火炮各部件的沖擊載荷不斷加大,火炮供輸彈機(jī)的振動響應(yīng)愈加劇烈,目前正成為一個亟待解決的問題。由于振動引起的供輸彈機(jī)動態(tài)精度喪失、構(gòu)件疲勞破壞等問題時有發(fā)生,供輸彈機(jī)的振動問題必須得到足夠的重視。分析供輸彈機(jī)的振動規(guī)律,以可靠地對振動進(jìn)行控制,最大限度地消除和抑制振動,提高供輸彈機(jī)精度和壽命,逐漸成為供輸彈機(jī)設(shè)計(jì)的一個重大理論和實(shí)踐問題[1]。
供輸彈機(jī)是火炮完成連續(xù)射擊的重要部件,供輸彈機(jī)的傳送和定位精度在一定程度上影響著火炮發(fā)射的精度。隨著射速的不斷提高,火炮供輸彈機(jī)各部件的運(yùn)動速度不斷增加,振動響應(yīng)也愈加增強(qiáng),在進(jìn)行動力學(xué)分析時,考慮彈藥供輸機(jī)構(gòu)重要部件的柔性,可使動力學(xué)仿真更加接近實(shí)際情況,以獲得更加準(zhǔn)確的仿真結(jié)果[2-3]。
如圖1所示,彈藥供輸機(jī)構(gòu)主要由四連桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)4、5、7、8、輸彈盤3、輸彈板11和輸藥板10組成。總體坐標(biāo)系選用標(biāo)準(zhǔn)笛卡爾坐標(biāo)系,x方向?yàn)橹亓Ψ较?,四連桿在yOz平面作旋轉(zhuǎn)擺進(jìn)擺出運(yùn)動,輸彈盤在xOz平面作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
機(jī)構(gòu)供彈供藥時,彈藥1、2同時脫離協(xié)調(diào)臂落入輸彈盤3,油缸A驅(qū)動四連桿機(jī)構(gòu)擺進(jìn)60°,將彈藥送達(dá)炮尾,同時油缸B驅(qū)動輸彈盤3旋轉(zhuǎn),使彈丸對準(zhǔn)炮膛,輸彈板推動彈丸進(jìn)行輸彈;輸彈結(jié)束后,輸彈盤再次旋轉(zhuǎn),使模塊藥對準(zhǔn)炮膛,輸藥板推動模塊藥進(jìn)行輸藥動作。輸彈輸藥動作結(jié)束后,四連桿機(jī)構(gòu)空載回轉(zhuǎn)復(fù)位,動作結(jié)束。搖架5固定在炮身架體上,通過改變搖架5的高低角可改變供輸彈機(jī)射角。
1) 所有鉸鏈約束均為理想鉸鏈約束,不考慮四連桿連接處的間隙。
2) 搖架5視為直接固定在大地上,忽略架體振動變形影響。
3) 彈藥從協(xié)調(diào)臂中解脫落入輸彈盤,簡化為t=0 s時彈藥同時從h=50 mm高度自由落體至輸彈盤中。
4) 只考慮四連桿的柔性,其余部件均視為剛體,不考慮彈性變形。
5) 彈藥與輸彈盤的接觸為彈性碰撞,等效為彈簧阻尼模型。
根據(jù)彈藥供輸機(jī)構(gòu)工作原理,在基本假設(shè)條件下,建立彈藥供輸機(jī)構(gòu)ADAMS虛擬樣機(jī)模型。四桿兩端均以理想鉸鏈約束,搖架與大地固定;連桿與輸彈盤為鉸鏈約束,彈藥與輸彈盤之間定義接觸。輸彈板與彈丸、輸藥板與模塊藥之間也定義接觸。
2.2.1 柔性體的導(dǎo)入
柔性部件通過以下步驟導(dǎo)入:對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,通過有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算并得到mnf模態(tài)中性文件以及通過ADAMS/Flex模塊導(dǎo)入。
由于四桿的結(jié)構(gòu)都十分復(fù)雜,為得到較高質(zhì)量的網(wǎng)格,提高計(jì)算精度,本文選用Hypermesh軟件進(jìn)行精確的網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型為solid45。圖2為劃分網(wǎng)格后的連桿模型。其余三桿模型略。
設(shè)置單元類型、材料屬性等參數(shù)后,通過cdb文件導(dǎo)入ANSYS中分別對四連桿模型進(jìn)行模態(tài)分析。使用ANSYS軟件的輸出接口生成包含四連桿材料屬性、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、各階模態(tài)頻率及振型的mnf模態(tài)中性文件。由于四連桿的鉸接中心為孔,所以需設(shè)置必要的剛性區(qū)域,選擇內(nèi)孔上所有節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn),孔中心為主節(jié)點(diǎn)。將主節(jié)點(diǎn)選擇為輸出的maker點(diǎn),通過ADAMS/Flex導(dǎo)入ADAMS/View中,進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真分析。
2.2.2 仿真動作及參數(shù)設(shè)置
模型共需4個驅(qū)動:四連桿回轉(zhuǎn)驅(qū)動、輸彈盤翻轉(zhuǎn)驅(qū)動、推彈板推彈驅(qū)動和推藥板推藥驅(qū)動。本文采用理想位移驅(qū)動。驅(qū)動函數(shù)全部使用step函數(shù)編譯。驅(qū)動的時間順序用圖3表示。
彈藥與輸彈盤間均為旋轉(zhuǎn)體彈性接觸,為得到比較精確的結(jié)果,本文通過公式計(jì)算得出各參數(shù)值。
剛度系數(shù)計(jì)算公式為[4]:
應(yīng)當(dāng)指出的是,ADAMS處理器使用Impact非線性函數(shù)計(jì)算接觸力,剛度系數(shù)的量綱與碰撞指數(shù)有關(guān),當(dāng)e=1.5時,ki的單位為N/mm1.5。
設(shè)置仿真時間為5 s,步長為0.01 s,以射角θ=0 mil,落彈高度h=50 mm進(jìn)行仿真。使用ADAMS/PostProcessor觀察仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),振動響應(yīng)集中在四連桿機(jī)構(gòu)。依舊以連桿為例,觀察運(yùn)動過程中振動響應(yīng)情況。查看連桿在x、y、z方向的振動位移,發(fā)現(xiàn)位移主要集中在x方向,y、z方向的位移幅值較小,可以忽略。連桿質(zhì)心在x方向的位移曲線見圖4。
由圖4可知,將四連桿考慮為柔性后,所得結(jié)果與剛體系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律一致,但柔性系統(tǒng)產(chǎn)生較明顯的振動,其中振動最大處為落彈階段(0
落彈階段,在x方向的振動響應(yīng)比較明顯,最大振幅達(dá)到2.13 mm。為使振動響應(yīng)效果更加直觀,對振動響應(yīng)曲線進(jìn)行了清零處理,如圖5所示。
使用ADAMS/durability模塊查看結(jié)果[5],發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)4016號節(jié)點(diǎn)分布在連桿肋板與桿身連接處,如圖6。最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線如圖7,最大應(yīng)力值為118.06 MPa。由圖可知,最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈丸落入輸彈盤的瞬間。
彈丸落入輸彈盤之前與輸彈盤側(cè)壁有摩擦和接觸,導(dǎo)致連桿產(chǎn)生低幅振動和應(yīng)力。落彈階段的大幅振動主要是由于受到彈藥落入輸彈盤時的沖擊載荷。可見四連桿所受應(yīng)力的大小與臂端受到的沖擊載荷大小有直接關(guān)系,而彈丸落入輸彈盤之前與輸彈盤側(cè)壁之間的摩擦碰撞對其影響不大。
輸彈階段的振動也主要集中在x方向。輸彈階段連桿最大振幅0.71 mm,連桿最大應(yīng)力點(diǎn)最大應(yīng)力為44.37 MPa。由于四連桿機(jī)構(gòu)剛剛結(jié)束帶載回轉(zhuǎn)運(yùn)動而尚未穩(wěn)定,加之輸彈板的輸彈速度達(dá)到3 m/s以上,而彈丸重達(dá)22 kg,所以輸彈過程中彈丸與輸彈盤之間的摩擦碰撞成為整個機(jī)構(gòu)振動的主要原因。
終止階段的振動主要集中在z方向,即四連桿回轉(zhuǎn)方向,最大振幅0.69 mm,連桿最大應(yīng)力點(diǎn)最大應(yīng)力為45.22 MPa。終止階段的振動主要由于空載回轉(zhuǎn)停止后,四連桿的急停產(chǎn)生較大反向加速度,激勵柔性四連桿產(chǎn)生較大振動響應(yīng)。
保持模型參數(shù)不變,將彈丸高度由h=50 mm降至h=10 mm,再次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),測量得落彈階段最大振幅減小為1.37 mm,如圖6。連桿4016號節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力值減小到78.2 MPa,如圖7。由此可知,降低彈丸高度,可減小沖擊載荷,十分有效地減小沖擊振動響應(yīng),同時相應(yīng)地減小應(yīng)力。
彈藥裝填時需要考慮彈丸卡膛一致性。為達(dá)到輸彈可靠的要求,輸彈卡膛速度必須達(dá)到2.5~3 m/s。所以不同射角下,彈丸的初始速度不同,即要求推彈板的速度不同。某型火炮不同高低射角下供彈速度如表1所示[6]。本文對不同射角下由輸彈引起的整個機(jī)構(gòu)的振動進(jìn)行了分析。
保持其余參數(shù)不變,根據(jù)表格數(shù)據(jù)對不同高低射角下的供彈供藥系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真,得到的振動規(guī)律基本一致,最大振幅值如表2所示。由表可知,隨著射角的增大,供彈系統(tǒng)的振動響應(yīng)呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢,其中射角為500 mil時響應(yīng)最大。因此在考慮振動控制時,需重點(diǎn)考慮射角為500 mil時的控制效果。
表1 某型火炮不同高低射角下供彈速度
表2 某型火炮不同高低射角下連桿最大振幅
本文基于ADAMS及有限元分析軟件對供輸彈機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)臂部分進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)系統(tǒng)建模及分析,得到了協(xié)調(diào)臂四連桿機(jī)構(gòu)在供彈過程中的運(yùn)動情況及應(yīng)力分布情況,分析了四連桿機(jī)構(gòu)在落彈、輸彈和終止時的振動響應(yīng)情況,并進(jìn)行了參數(shù)化分析,得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:
1)落彈時四連桿所受應(yīng)力的大小與臂端受到的沖擊載荷大小有直接關(guān)系,應(yīng)采取必要措施,盡量減小落彈時的沖擊載荷。
2)不同高低射角下彈藥供輸機(jī)構(gòu)的振動響應(yīng)不同,射角為500 mil時振幅最大。因此需對輸彈速度進(jìn)行合理的算法控制,減小輸彈引起的系統(tǒng)振動。
3)空載回轉(zhuǎn)時需要進(jìn)行必要的速度控制,或添加合理的緩沖裝置,以減小停轉(zhuǎn)后的振動響應(yīng)。
剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)建模仿真雖然比多剛體系統(tǒng)建模更加復(fù)雜,但仿真結(jié)果更加接近實(shí)際狀況,不僅考慮到部件柔性對系統(tǒng)振動效果的影響,同時還能查看動載荷作用下各部件的應(yīng)力分布情況,為供輸彈機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或供輸彈機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性檢驗(yàn)提供重要的參考依據(jù)。
[1] 朱懷亮,張福祥.剛?cè)狁詈舷禄鸺诙囿w系統(tǒng)的動力建模方法探討[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報,1995(2):8-13.
ZHU Huai-liang,ZHANG Fu-xiang.Investigation on launcher multi-part system dynamic modeling under rigid and flexible coupling condition[J]. Journal of Gun Launch&Control,1995(2):8-13.(in Chinese)
[2] 熊光楞,李伯虎,柴旭東.虛擬樣機(jī)技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2001,13(1):114-117.
XIONG Guang-leng,LI Bo-hu,CHAI Xu-dong. Virtual prototyping technology[J].Journal of System Simulation,2001,13(1):114-117.(in Chinese)
[3] 侯保林,樵軍謀,劉琮敏.火炮自動裝填[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社,2010.7.
HOU Bao-lin,QIAO Jun-mou,LIU Cong-min.Automatic gun feeding[M].The Publishing House of Ordnance Industry,2010.(in Chinese)
[4] 謝最偉,吳新躍.基于ADAMS的碰撞仿真分析[C]. 第三屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集,大連:347-350.
XIE Zui-wei,WU Xin-yue.ADAMS based simulation analysis on impaction[C].Paper Compilations on The 3rd China CAE Analysis Technology Annual Conference,Dalian:347-350.(in Chinese)
[5] 劉曉峰,王殿龍,滕儒民,等.基于剛?cè)狁詈系钠鹬貦C(jī)柔性臂動力學(xué)分析[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械,2011(9):50-53.
LIU Xiao-feng,WANG Dian-long,TENG Ru-min,et al.Rigid-flexible coupling based dynamic analysis on flexible boom of crane[J].Hoisting and Conveying Machinery,2011(9):50-53.(in Chinese)
[6] 石海軍,錢林方,徐亞棟,等.火炮卡膛一致性問題研究[J]. 彈道學(xué)報,2012(4):77-81.
SHI Hai-jun,QIAN Lin-fang,XU Ya-dong,et al.Research on consistency of bayonet-chamber of gun[J].Journal of Ballistics, 2012(4):77-81.(in Chinese)