輸彈機(jī)關(guān)重件在時(shí)變載荷下的聯(lián)合仿真

閆鵬程，郝馳宇，2，孫華剛，劉 超

（1.軍械技術(shù)研究所，石家莊 050003；2.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

輸彈機(jī)關(guān)重件在時(shí)變載荷下的聯(lián)合仿真

閆鵬程1，郝馳宇1，2，孫華剛1，劉 超1

（1.軍械技術(shù)研究所，石家莊 050003；2.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

為了掌握某型自行火炮中開(kāi)式鏈傳動(dòng)輸彈機(jī)的關(guān)重件-鏈板在時(shí)變載荷下的受力情況，在多體力學(xué)仿真軟件RecurDyn中建立了輸彈機(jī)的虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行了驗(yàn)證，在有限元分析軟件ANSYS中對(duì)剛性輸彈鏈進(jìn)行了模態(tài)分析得到了其固有頻率和相應(yīng)振型，通過(guò)載荷文件的提取與轉(zhuǎn)化，將時(shí)變載荷文件導(dǎo)入到ANSYS中，對(duì)關(guān)重件進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了多體動(dòng)力學(xué)與有限元信息的聯(lián)合仿真，提高了仿真分析的精度和效率，分析關(guān)重件的受力情況可以確定危險(xiǎn)位置，對(duì)輸彈機(jī)的故障機(jī)理及故障演化規(guī)律提供一定依據(jù)。

輸彈機(jī)，多體動(dòng)力學(xué)，有限元分析，聯(lián)合仿真，RecurDyn，ANSYS

0 前言

現(xiàn)代自行火炮的發(fā)展趨勢(shì)為自動(dòng)填裝，實(shí)現(xiàn)彈藥的自動(dòng)填裝具有提高火炮射速、增大火炮威力等優(yōu)勢(shì)［1］。輸彈機(jī)是自行火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)中一個(gè)重要的子系統(tǒng)，作用是將輸送到輸彈線上面的彈丸或藥筒，迅速可靠地輸送到炮膛內(nèi)，提高火炮發(fā)射速度。由于輸彈機(jī)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、工作負(fù)荷沖擊大、工作環(huán)境封閉不便于保養(yǎng)等特點(diǎn)，使其成為自動(dòng)填裝系統(tǒng)中故障發(fā)生率比較高的子系統(tǒng)。

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，有限元分析和多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)的應(yīng)用越加廣泛，然而其相互之間的數(shù)據(jù)信息難以共享對(duì)仿真的精度和效率有影響，如何實(shí)現(xiàn)多體動(dòng)力學(xué)與有限元分析之間有效的集成，是近年來(lái)仿真領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一［2］。

本文針對(duì)某型自行火炮供輸彈系統(tǒng)中開(kāi)式鏈傳動(dòng)輸彈機(jī)，在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn中建立了其虛擬樣機(jī)模型，利用有限元分析軟件ANSYS分析了剛性鏈條的固有頻率和振型，將載荷文件輸入到關(guān)重件-鏈板的有限元模型中，實(shí)現(xiàn)了RecurDyn和ANSYS的聯(lián)合仿真，得到了輸彈行程中關(guān)重件的受力情況，確定了危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，為故障演化規(guī)律和故障診斷提供一定的依據(jù)。

1 輸彈機(jī)虛擬樣機(jī)的建立與驗(yàn)證

1.1 輸彈機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理

該開(kāi)式鏈傳動(dòng)輸彈機(jī)主要是由齒輪箱體、鏈盒、鏈條、推殼機(jī)構(gòu)等組成［3］，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 輸彈機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

輸彈行程中，鏈輪帶動(dòng)鏈盒中的鏈條運(yùn)動(dòng)，不工作時(shí)，鏈條呈柔性體，輸彈行程中鏈條經(jīng)過(guò)卡鎖機(jī)構(gòu)時(shí)，鎖爪閉鎖，內(nèi)外鏈板端面閉合，鏈條成為剛性桿推動(dòng)彈丸入膛。收鏈過(guò)程中，剛性鏈條經(jīng)過(guò)解鎖機(jī)構(gòu)時(shí)解鎖，收回到鏈盒中，其運(yùn)行原理圖如圖2所示。

圖2 輸彈機(jī)工作原理剖面示意圖

1.2 虛擬樣機(jī)模型的建立

在三維建模軟件SolidWorks中分別建立了鏈盒、鏈條、卡鎖機(jī)構(gòu)及推殼小車等輸彈機(jī)部件的三維實(shí)體模型，進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后按照其裝配圖進(jìn)行裝配，裝配體如圖3所示。

圖3 輸彈機(jī)裝配圖

將三維模型以parasolid格式導(dǎo)入到RecurDyn中，在輸彈機(jī)的各零部件之間添加約束，約束的添加需要符合輸彈機(jī)的實(shí)際工況和部件間的真實(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)［4］，為輸彈機(jī)添加合理的約束：

①鏈盒與地面、卡鎖機(jī)構(gòu)和鏈盒之間建立固定鉸約束；

②內(nèi)外鏈板、鎖爪與滾輪之間加入旋轉(zhuǎn)鉸約束；

③推殼小車與鏈盒之間加入平移鉸約束。

RecurDyn中提供了豐富的接觸類型來(lái)根據(jù)需求選取最合適的接觸方法，目前支持3大類：面面接觸、分析接觸和實(shí)體接觸共26種接觸［5］。根據(jù)輸彈機(jī)的實(shí)際工況為其部件添加合理的接觸參數(shù)。

根據(jù)輸彈過(guò)程的設(shè)計(jì)要求，輸彈速度必須達(dá)到3.3m/s~3.5m/s，期望加速段遵循圖4，加速段和勻速段總時(shí)間為 1s［3］。

圖4 輸彈機(jī)的期望時(shí)間-速度曲線

參考上述曲線，利用STEP函數(shù)為輸彈機(jī)添加驅(qū)動(dòng)，在RecurDyn中，STEP函數(shù)采用三次多項(xiàng)式逼近海賽（Heaviside）階躍函數(shù)，通常用于定義一個(gè)相對(duì)光滑的階躍函數(shù)［5］。STEP函數(shù)定義為：

根據(jù)上述曲線計(jì)算可得，輸彈機(jī)鏈輪添加的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：

1.3 虛擬樣機(jī)的驗(yàn)證

建立虛擬樣機(jī)的目的是利用虛擬樣機(jī)來(lái)模擬物理樣機(jī)的真實(shí)性能，沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果是沒(méi)有實(shí)際意義的［6］。輸彈機(jī)的主要作用就是推動(dòng)彈丸以一定的速度快速入膛，所以選取鏈條的速度作為驗(yàn)證虛擬樣機(jī)可信度的指標(biāo)，將虛擬樣機(jī)的仿真值與設(shè)計(jì)值相比較，如下頁(yè)圖5所示。

圖5 鏈條速度仿真值與期望值的比較

可以看出，輸彈機(jī)在仿真過(guò)程中鏈條的速度曲線與設(shè)計(jì)值有一定的偏差，這主要是由于在虛擬樣機(jī)的仿真過(guò)程中進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化導(dǎo)致的。但是兩曲線相差值不是很大，變化的趨勢(shì)也是基本一致的，這就說(shuō)明建立的虛擬樣機(jī)模型是合理的，能夠用于下一步的動(dòng)力學(xué)分析。

2 輸彈鏈的有限元模態(tài)分析

2.1 有限元模型的建立

模態(tài)分析是確定線性構(gòu)件的固有頻率和振型的分析技術(shù)，是進(jìn)行其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)［7］。在SolidWorks中建立輸彈鏈的三維實(shí)體模型，如圖6所示，為提高計(jì)算效率，建模時(shí)對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。利用parasolid格式導(dǎo)入到ANSYS中，采用8節(jié)點(diǎn)的六面體單元（Solid45）對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的自由劃分，共得到9 408個(gè)節(jié)點(diǎn)和152 217個(gè)單元。設(shè)定輸彈鏈的材料屬性，在輸彈鏈末端相應(yīng)的端面上添加自由度約束，利用Lanczos法對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析。

圖6 剛性輸彈鏈三維模型

2.2 有限元模態(tài)結(jié)果分析

在輸彈行程中，輸彈鏈條閉鎖后成為剛性體，輸彈鏈在輸彈行程可看做細(xì)長(zhǎng)梁結(jié)構(gòu)，彎曲振動(dòng)（橫向彎曲和縱向彎曲）為其在低頻率范圍內(nèi)的主要變形方式［8］。在ANSYS中對(duì)輸彈鏈模型進(jìn)行求解之后，可以在通用后處理模塊中查看分析結(jié)果。表1給出了輸彈鏈的前8階固有頻率和振型特征，圖7給出了前8階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型圖。觀察輸彈鏈的低階振型圖可以看出，在低階固有頻率范圍內(nèi)的變形主要是橫向彎曲變形、縱向彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，變形量較大。

通過(guò)對(duì)輸彈鏈的有限元分析，掌握了輸彈鏈的振型和固有特性，為下一步的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析打下了基礎(chǔ)。

表1 推彈鏈的前8階模態(tài)的固有頻率與振型特征

圖7 輸彈鏈前8階振型圖

3 多體動(dòng)力學(xué)與有限元聯(lián)合仿真

3.1 聯(lián)合仿真原理

在運(yùn)行狀態(tài)不斷變化的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中，各部件在每個(gè)時(shí)態(tài)所受的載荷是不一樣的，本文中通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真得到零件的時(shí)變載荷曲線，對(duì)進(jìn)行采樣后得到離散的載荷序列作為輸入載荷，對(duì)零件進(jìn)行有限元分析，得到零件在變載荷下的響應(yīng)［9］，如下頁(yè)圖8所示。

3.2 關(guān)重件的柔性化

3.2.1 關(guān)重件的受力分析

圖9為輸彈機(jī)關(guān)重件-鏈板的受力圖，在輸彈行程中，鏈板由兩端銷軸連接，隨著鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈板兩端面閉合成為剛性體，推動(dòng)彈丸進(jìn)入炮膛中，所以鏈板受力由兩部分組成，第1部分是連接鏈板的銷軸力Fr，第2部分是鏈板端面閉合形成的壓力Ft。

圖8 多體動(dòng)力學(xué)與有限元聯(lián)合仿真方法示意圖

圖9 外鏈板受力分析圖

3.2.2 關(guān)重件的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是確定隨時(shí)間變化載荷作用下結(jié)構(gòu)相應(yīng)的技術(shù)，它的輸入時(shí)作為時(shí)間函數(shù)的載荷，輸出數(shù)據(jù)是隨時(shí)間變化的位移和其他的導(dǎo)出量［7］。

將外鏈板的模型以parasolid格式導(dǎo)入到有限元軟件ANSYS中，設(shè)定好其材料屬性之后，采用8節(jié)點(diǎn)的六面體單元（solid45）對(duì)推彈鏈模型進(jìn)行自由分網(wǎng)，共得到1 206個(gè)節(jié)點(diǎn)和3 165個(gè)單元。如圖10所示。

圖10 外鏈板的有限元模型

在對(duì)外鏈板進(jìn)行柔性體的網(wǎng)格劃分后，結(jié)合鏈板在RecurDyn中得到輸彈行程中的時(shí)變載荷，以表格的形式導(dǎo)入到有限元分析中，根據(jù)圖9的受力分析分別加載到相應(yīng)的受力面或節(jié)點(diǎn)處，如圖11所示，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中的Full法，對(duì)鏈板進(jìn)行仿真分析。

3.3 關(guān)重件的有限元仿真分析

在施加載荷仿真結(jié)束后，在ANSYS的后處理中可以看到零件的在時(shí)變載荷下的云圖和載荷曲線，圖12所示為鏈板出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)的云圖（t=1.04 s），而圖13所示為出現(xiàn)應(yīng)力極值的434節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線。

從圖12和圖13中分析可得：

①?gòu)膽?yīng)力的時(shí)間分布上來(lái)看，鏈板的應(yīng)力值在t=0.9 s之后明顯增加，極值點(diǎn)出現(xiàn)在t=1.04 s，這是因?yàn)樵谳攺椥谐棠┒捂湕l的速度急速下降，造成鏈條內(nèi)部的動(dòng)載荷顯著增大造成的；

②從應(yīng)力的位置分布來(lái)看，鏈板的側(cè)表面中下部的應(yīng)力是較大，危險(xiǎn)點(diǎn)在側(cè)表面下邊緣上，而考慮到銷軸與鏈板的碰撞磨損，但由于銷軸與鏈板之間存在持續(xù)的接觸及摩擦碰撞，所以鏈板的最易受損的位置應(yīng)該是鏈板與銷軸接觸的銷軸孔內(nèi)表面。

圖11 外鏈板有限元模型載荷的添加

圖12 外鏈板應(yīng)力圖

圖13 節(jié)點(diǎn)434的應(yīng)力曲線

4 結(jié)論

利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn建立了完整的開(kāi)式鏈傳動(dòng)輸彈機(jī)的虛擬樣機(jī)模型。

在有限元仿真軟件ANSYS中分析了剛性輸彈鏈的低階固有頻率及其對(duì)應(yīng)的振型，結(jié)果顯示輸彈鏈在低階固有頻率時(shí)主要表現(xiàn)為彎曲變形，且變形量較大。

實(shí)現(xiàn)了RecurDyn和ANSYS的聯(lián)合仿真，得到了關(guān)重件-鏈板在輸彈行程中變載荷下的受力情況，確定危險(xiǎn)位置在鏈板外側(cè)的中下部，最易受損的部位為銷軸孔內(nèi)表面，為輸彈機(jī)構(gòu)故障機(jī)理分析和下一步的故障仿真提供了一定的依據(jù)。

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Study on Co-simulation of Ramm ing M echanism Key Componentsw ith Time Varying Load

YANPeng-cheng1，HAOChi-yu1，2，SUNHua-gang1，LIUChao1
（1.Ordnance Technical Research Institute，Shijiazhuang 050003，China；2.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In order tomaster the force of rammingmechanism key componentwhich on automatic loading system of a certain artillery with time varying load,the virtual prototype simulation model of ramming mechanism is built and verifies based on the multi-body dynamics software RecurDyn，then the modal analysis is carried out in ANSYS to get the main performance of ramming chain in the low order natural frequency.The load files ofmulti-body dynamics system are extracted，transformed and imported into the finite element transient dynamics analysis，the co-simulation based on the heterogeneous system information of multi-body dynamic and FEA is carried out，the precision and efficiency of simulation are improved.The force of key components in ramming process is get to determine the dangerous location，the basis of the mechanisms failure and fault evolution of ramming mechanism is provided by the results.

ramming mechanism，multi-body dynamics，co-simulation，finite element analysis，RecurDyn，ANSYS

TH132.45；TJ3

A

1002-0640（2015）11-0102-04

2014-09-05

2014-10-07

閆鵬程（1965- ），男，研究員，博士。研究方向：測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用。