基于ANSYS Workbench的某彈藥儲(chǔ)運(yùn)方艙支撐件力學(xué)分析

王維，宣兆龍，段志強(qiáng)，程澤，張曉藝，黃鈺明

(1.軍械工程學(xué)院，石家莊050003;2.72478部隊(duì)，濟(jì)南250310; 3.68065部隊(duì)，甘肅武威733200;4.73833部隊(duì)，福州350003)

彈藥儲(chǔ)運(yùn)方艙是針對(duì)我軍彈藥技術(shù)特點(diǎn)及作戰(zhàn)運(yùn)用實(shí)際設(shè)計(jì)的新型集裝單元［1］，為了集裝、固定藥筒和引信，防止在裝卸和運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生碰撞，同時(shí)為了存取方便，采用支撐件放置藥筒和引信。由于藥筒的筒壁較薄，只有0.7～2 mm［2］，受到壓力后很容易變形，影響其作戰(zhàn)效能，同樣引信也不能受到壓力，因此，支撐件不僅要限制藥筒、引信的運(yùn)動(dòng)，還要支撐其重量，避免底層藥筒、引信支撐上部藥筒和引信的重量。由于其結(jié)構(gòu)和受力情況較為復(fù)雜，用傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法或工程板梁理論來(lái)分析支撐件的受力狀態(tài)較為困難［3］，所以需要應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)分析、驗(yàn)證支撐件的受力及變形情況，以判斷該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

1 支撐件構(gòu)成

文中以某儲(chǔ)運(yùn)方艙為例，支撐件固定在該彈藥儲(chǔ)運(yùn)方艙的中間部位。艙體為“工”字型結(jié)構(gòu)，有利于提高方艙艙體的強(qiáng)度［4］，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。藥筒和引信在支撐件中采用的是橫裝方式，分為4層，每層放置3個(gè)藥筒、3個(gè)引信，為了方便取放彈藥，方艙設(shè)計(jì)成前后兩側(cè)開門，其中6個(gè)藥筒、6個(gè)引信從前側(cè)取放，其余的從后側(cè)取放。為了固定藥筒和引信，在支撐件中設(shè)置藥筒和引信限位孔。由于支撐件的體積較大，為了減輕質(zhì)量，在設(shè)計(jì)支撐件材料時(shí)，選擇密度較小的硬質(zhì)聚氨酯泡沫，而且硬質(zhì)聚氨酯泡沫還具有保溫性能好、尺寸穩(wěn)定性好、易注塑成形和一定的防火能力等特點(diǎn)［5］。

圖1 彈藥儲(chǔ)運(yùn)方艙示意Fig.1 Sketch figure for the ammunition storage and transportation shelter

2 有限元模型的建立

2.1 建立幾何模型

有限元模型的建模精度對(duì)于分析結(jié)果的影響很大，模型的好壞甚至決定了分析結(jié)果的應(yīng)用價(jià)值［6］?？梢圆捎?ANSYS Workbench中的 Design-Modeler工具直接建模，也可以采用從外部導(dǎo)入幾何體的方式［7］，本文選擇后一種建模方式。首先在軟件SolidWorks設(shè)計(jì)三維模型，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，由于支撐件采用整體注塑成形，結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，不需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格數(shù)目過(guò)少，容易產(chǎn)生畸變，并影響計(jì)算精度。細(xì)劃網(wǎng)格可以使結(jié)果更精確，但是會(huì)增加CPU計(jì)算時(shí)間和需要更大的存儲(chǔ)空間［8］。根據(jù)實(shí)體模型的大小及考慮網(wǎng)格規(guī)模，取單元大小為20 mm進(jìn)行劃分。

六面體網(wǎng)格可以減少單元數(shù)量，加快求解收斂，可以提高分析精度，減少數(shù)值錯(cuò)誤［9］，對(duì)質(zhì)量好的幾何模型應(yīng)首選六面體網(wǎng)格劃分。本文采用六面體網(wǎng)絡(luò)劃分法劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。劃分網(wǎng)格后生成220 765個(gè)節(jié)點(diǎn)，57 663個(gè)單元。

圖2 支撐件模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of the supportmodel

2.3 材料參數(shù)

硬質(zhì)聚氨酯的主要參數(shù):密度為40 kg/m3;彈性模量為10 MPa;泊松比為0.3;壓縮強(qiáng)度極限為0.4 MPa;拉伸強(qiáng)度極限為0.6 MPa［10］。

3 靜剛度、強(qiáng)度分析

3.1 載荷及約束處理

采用橫裝交叉方式放置藥筒和引信，作用在支撐件上的載荷主要由藥筒、引信和支撐件的重力產(chǎn)生。藥筒作用在支撐件上的載荷并不是均布載荷，重心靠近藥筒底部，為了便于計(jì)算，簡(jiǎn)化為均布載荷作用于藥筒限位孔內(nèi)。由于藥筒是圓柱形，加載時(shí)選用軸承載荷(Bearing Load)，軟件中采用的計(jì)算方法是根據(jù)徑向分量的投影面積來(lái)分布?jí)毫d荷的。根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，需要的安全系數(shù)為 1.7～2.0［11］，藥筒重量G1=m1g=156.96 N。為安全起見(jiàn)，取2.0作為安全系數(shù)，則加載在藥筒限位孔的載荷F1=2.0×G1=313.92 N。引信重量G2=m2g= 9.81 N，同理加載在引信限位孔的載荷F2=2.0×G2= 19.62 N。支撐件的重量G3=m3g=128.51 N。支撐件加載重力時(shí)，選擇施加豎直向下的重力加速度。

為保持彈藥儲(chǔ)運(yùn)方艙內(nèi)支撐件的位置固定，需要將兩側(cè)面及底面與蒙皮相連接。為了簡(jiǎn)化約束條件，假設(shè)與蒙皮相連接的部分固定，則約束條件為加載兩側(cè)面及底面固定約束(Fixed Support)。

3.2 有限元分析結(jié)果

在設(shè)計(jì)樹中加入所要求的結(jié)果，要求應(yīng)力(Stress)云圖和形變(Deformation)云圖，應(yīng)用ANSYSWorkbench進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.2.1 應(yīng)力分析

支撐件的應(yīng)力分析結(jié)果如圖3所示，最大應(yīng)力發(fā)生在底側(cè)藥筒支撐部分，最大應(yīng)力值為2633.7 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限，滿足材料的強(qiáng)度極限。

3.2.2 變形分析

變形分析結(jié)果如圖4所示，最大變形發(fā)生在最上側(cè)中間部分，最大變形量為5.6847×10-5m。在設(shè)計(jì)時(shí)為了便于藥筒、引信放置，圓孔直徑比藥筒、引信直徑大2 mm，所以最大變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2 mm，滿足強(qiáng)度要求。

圖3 支撐件應(yīng)力Fig.3 Stress nephogram of the support

圖4 支撐件形變Fig.4 Deformation nephogram of the support

4 模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型［12］。模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性(即固有頻率和振型)，固有頻率和振型是承受動(dòng)載荷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)［13］。通過(guò)仿真可以得到支撐件固有的振動(dòng)特性即固有頻率和振型［14］，在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步分析支撐件在各種動(dòng)態(tài)激勵(lì)下的響應(yīng)。在結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析中，各階模態(tài)所具有的權(quán)因子大小與該模態(tài)頻率的倒數(shù)成反比，即頻率越低，權(quán)重越大，就是說(shuō)低階模態(tài)特性基本決定了產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能［15］。

該支撐件涉及到的動(dòng)力學(xué)主要是在運(yùn)輸及裝卸過(guò)程中，所以需要分析在放置藥筒、引信情況下支撐件的模態(tài)，需要計(jì)算時(shí)加載預(yù)應(yīng)力及約束條件。文中計(jì)算了前6階固有模態(tài)，前6階模態(tài)振型如圖5所示，在預(yù)應(yīng)力作用下的固有頻率和振型見(jiàn)表1。

表1 支撐件前6階模態(tài)頻率振型表Table 1 The preceding 6 ordered inherent frequencies and vibration modes

圖5 模態(tài)振型Fig.5 Ordermodal vibrationmodes

5 結(jié)論

文中應(yīng)用有限元軟件ANSYSWorkbench分析建立了支撐件的有限元模型，分別進(jìn)行了靜態(tài)剛度、強(qiáng)度分析和動(dòng)態(tài)的模態(tài)分析。結(jié)果表明，在最大載荷工況下，支撐件的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限，最大變形不超過(guò)2 mm，滿足結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度要求。振動(dòng)形式有彎曲振動(dòng)和扭曲振動(dòng)，振幅較大區(qū)域集中于頂側(cè)中部及第1、第2、第3層中部區(qū)域;振動(dòng)的前6階頻率集中在117.5～286.7 Hz之間，為下一步進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析奠定了基礎(chǔ)。

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