基于剛?cè)狁詈系哪硰椝幑┹敊C(jī)構(gòu)振動分析

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]。

1 彈藥供輸機(jī)構(gòu)工作原理

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。

2 剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)仿真

2.1 基本假設(shè)

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。

2.2 剛?cè)狁詈夏Ｐ徒?/h3>

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。

3 仿真結(jié)果分析

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(03.7 s)。

3.1 落彈階段

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。

3.2 輸彈階段

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。

3.3 終止階段

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)。

4 參數(shù)化分析

4.1 沖擊載荷對系統(tǒng)振動響應(yīng)的影響

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。

4.2 考慮彈丸卡膛一致性對系統(tǒng)振動響應(yīng)的影響

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

5 結(jié) 論

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)。

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