某輕型火炮高平機(jī)模態(tài)分析

王東旭，劉樹華

（中北大學(xué) 武器裝備技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

高低機(jī)和平衡機(jī)是火炮的重要組成構(gòu)件，為了提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，某輕型牽引火炮設(shè)計(jì)時(shí)在對(duì)現(xiàn)有高低機(jī)和平衡機(jī)研究的基礎(chǔ)上，采用了一種集高低機(jī)和平衡機(jī)功能于一體的液體氣壓式高平機(jī)結(jié)構(gòu)，當(dāng)火炮被賦予一定的射角后，該裝置起平衡機(jī)的作用，當(dāng)打動(dòng)手輪改變火炮射角時(shí)，該裝置起高低機(jī)和平衡機(jī)的復(fù)合作用。和獨(dú)立的高低機(jī)和平衡機(jī)相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕及易操作等特點(diǎn)［1］。

振動(dòng)現(xiàn)象是機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常遇到的問題之一，由于振動(dòng)會(huì)造成結(jié)構(gòu)的共振或疲勞從而破壞結(jié)構(gòu)，因此了解結(jié)構(gòu)本身具有的剛度特性即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，可避免在使用中因共振造成的不必要損失［2］。模態(tài)分析是高平機(jī)研發(fā)過程中結(jié)構(gòu)分析的重要內(nèi)容，通過模態(tài)分析掌握高平機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的關(guān)鍵指標(biāo)，特別是低階彈性模態(tài)等數(shù)據(jù)，是完成后續(xù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、振動(dòng)特性優(yōu)化和故障診斷等的基礎(chǔ)和依據(jù)［3］。

ANSYS Workbench是目前CAE的主流分析軟件之一，它融結(jié)構(gòu)、熱、聲、電磁、流體等分析為一體，并且擁有豐富的材料與單元庫(kù)，用戶可根據(jù)具體情況合理地選取單元類型及材料特性，高效地完成各種復(fù)雜的工程問題求解。本文利用ANSYS Workbench完成對(duì)某輕型牽引火炮高平機(jī)的模態(tài)分析。

1 高平機(jī)物理模型的建立

1.1 高平機(jī)結(jié)構(gòu)及幾何模型處理

液體氣壓式高平機(jī)由上球軸、內(nèi)筒、活塞桿、內(nèi)筒壓蓋、外筒、外筒緊塞塊、外筒壓蓋、下球軸、圓螺母、密封裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中高平機(jī)為火炮最低射角狀態(tài)［4］。

本文用SolidWorks建立某輕型火炮高平機(jī)的三維幾何模型，在保留主要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)模型中的非重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)刪除和簡(jiǎn)化，利用幾何模型數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入ANSYS Workbench 14.5中進(jìn)行離散，網(wǎng)格的單元類型為4節(jié)點(diǎn)線性4面體單元（C3D4），控制單元尺寸為5mm，這樣劃分后的模型共有326 680個(gè)節(jié)點(diǎn)，200 581個(gè)單元。最后得到的模型結(jié)構(gòu)和實(shí)際基本一致，故計(jì)算正確性和經(jīng)濟(jì)性可以得到保證［5］。圖2為劃分網(wǎng)格后的高平機(jī)有限元模型。

圖1 液體氣壓式高平機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

圖2 劃分網(wǎng)格的高平機(jī)有限元模型

1.2 材料參數(shù)

高平機(jī)材料采用45鋼，屈服極限σs＝340MPa，密度ρ＝7.85×103kg/m3，彈性模量E＝211GPa，泊松比為0.3。

1.3 接觸與約束

邊界條件的設(shè)置直接影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的振型和固有頻率，定義活塞桿與外筒間接觸類型為綁定，活塞桿與內(nèi)筒、內(nèi)筒與外筒之間接觸類型為無摩擦，定義下球軸端面固定約束，上球軸x方向?yàn)樽杂蔁o約束。

2 求解分析

本文選用ANSYS軟件提供的Block Lanczos（分塊蘭索斯）法提取了該高平機(jī)的前6階模態(tài)并進(jìn)行了模態(tài)擴(kuò)展［6］，表1給出了高平機(jī)有限元模態(tài)分析得到的前6階模態(tài)固有頻率，圖3～圖8給出了前6階的模態(tài)振型。

表1 高平機(jī)的固有頻率

從圖3～圖8中可以看出，1階模態(tài)是頻率為88.995Hz的XZ平面彎曲，2 階 模 態(tài) 是 頻 率 為95.691Hz的XY平面彎曲，3 階 模 態(tài) 是 頻 率 為109.64Hz的繞X軸扭轉(zhuǎn)，4階模態(tài)是頻率為271.76 Hz的XZ平面2階彎曲，5階模態(tài)是頻率為394.94 Hz的XY平面2階彎曲，6階模態(tài)是頻率為502.75 Hz的2階扭轉(zhuǎn)。

圖3 高平機(jī)的1階振型

圖4 高平機(jī)的2階振型

3 結(jié)論

高平機(jī)受到的外部激振因素可概括為兩類：一是機(jī)動(dòng)時(shí)路面的隨機(jī)激振，頻率一般小于10Hz；二是火炮射擊時(shí)造成的激振，某輕型火炮射擊頻率在20發(fā)/min以下。高平機(jī)的低階扭轉(zhuǎn)和彎曲模態(tài)分別為88.995Hz和95.691Hz，遠(yuǎn)離了路面的激勵(lì)頻率和射擊頻率的發(fā)生范圍，從而能夠有效地避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，因此，高平機(jī)滿足動(dòng)態(tài)特性的條件，符合高平機(jī)設(shè)計(jì)的要求。

圖5 高平機(jī)的3階振型

圖6 高平機(jī)的4階振型

圖7 高平機(jī)的5階振型

圖8 高平機(jī)的6階振型

［1］張訓(xùn)國(guó)，顧克秋.輕型牽引火炮高平機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析［J］.機(jī)械制造，2012，41（2）：17－19.

［2］陳運(yùn)生.液體氣壓式高低平衡機(jī)運(yùn)動(dòng)計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（2）：43－49.

［3］張相炎.火炮設(shè)計(jì)理論［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

［4］浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例分析［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

［5］吳迎春.液體氣壓式高平機(jī)的研究與仿真分析［D］.南京：南京理工大學(xué)，2006：32－52.

［6］王宇，劉凱，林永龍.ANSYS軟件在結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013，42（9）：38－40.