火箭炮定向器模態(tài)有限元分析

謝春雨，劉 璐，龔華雄，嚴(yán)蜀宇

（中國(guó)人民解放軍78618部隊(duì)，四川 成都 610100）

0 引言

第二次世界大戰(zhàn)過(guò)后，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，多管火箭炮得到了迅速的發(fā)展。初步統(tǒng)計(jì)，世界上約有30多個(gè)國(guó)家都在生產(chǎn)火箭炮，火箭炮的型號(hào)有60多個(gè)，火箭炮的口徑在Φ51mm～Φ400mm，定向器的管數(shù)在2管～75管，最大射程在6.5km～70km?；鸺诙ㄏ蚱鞯慕Y(jié)構(gòu)有管式定向器、籠式定向器、滑軌式定向器和貯箱式定向器，其發(fā)展遵循的技術(shù)要求包括性能、使用、安全、運(yùn)輸、存放、維修和經(jīng)濟(jì)等，要求能夠在各種場(chǎng)地、各種天氣條件下完成火箭的發(fā)射任務(wù)，確保安全和可靠，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于組裝，操作簡(jiǎn)單快捷，便于火箭的安裝、監(jiān)測(cè)和發(fā)射，盡可能做到機(jī)械化和自動(dòng)化。定向器在運(yùn)輸或是在火箭彈發(fā)射時(shí)都要受到外力的作用，當(dāng)作用力小于箱體和彈藥的安全限度時(shí)，不會(huì)造成箱體和火箭彈可靠性狀態(tài)的明顯改變；而當(dāng)運(yùn)輸環(huán)境力較大時(shí)，就可能導(dǎo)致箱體強(qiáng)度不夠，發(fā)生彎曲，定向器的直線度下降，使火箭彈的發(fā)射精度大大降低，同時(shí)在運(yùn)輸過(guò)程或是在發(fā)射時(shí)受到機(jī)械振動(dòng)可能會(huì)發(fā)生共振，對(duì)火箭炮定向器進(jìn)行模態(tài)分析就是要使定向器結(jié)構(gòu)在特定的環(huán)境下滿足其使用要求。

1 定向器模態(tài)理論分析

常規(guī)模態(tài)分析有兩種方式：試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和計(jì)算模態(tài)分析。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是通過(guò)試驗(yàn)采集的方法對(duì)定向器的輸入和輸出信號(hào)辨識(shí)后得到其模態(tài)參數(shù)，考慮到定向器長(zhǎng)達(dá)幾米，質(zhì)量重，試驗(yàn)的方法難度較大，因此本文使用計(jì)算模態(tài)分析的方式對(duì)定向器進(jìn)行分析，其模態(tài)結(jié)果由有限元軟件中的ANSYS計(jì)算得到。

本文對(duì)定向器的模態(tài)進(jìn)行分析時(shí)，將其近似為線性系統(tǒng)，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，其系統(tǒng)的理論模態(tài)可表示為：

其中：［M］，［C］，［K］分別為系統(tǒng)的總體質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；｛X｝，｛｝，｛｝分別為節(jié)點(diǎn)的位移向量、速度向量和加速度向量；｛F（t）｝分別為節(jié)點(diǎn)的動(dòng)載荷向量。將阻尼項(xiàng)去掉，這時(shí)無(wú)阻尼自由振動(dòng)的方程為：

裝載在定向器中的火箭彈可以簡(jiǎn)化為一彈性梁，由定向器中的導(dǎo)槽通過(guò)火箭彈定心部提供位移約束，且在發(fā)射過(guò)程中約束發(fā)生了變化，如果將定向器軸向方向的變形忽略不計(jì)，只考慮橫向彎曲變形，則定向器的位移u（x，t）可用模態(tài)函數(shù)線性組合近似表示為：

其中：Φj為定向器的模態(tài)振型；qj表示廣義坐標(biāo)，qj1和qj2分別為兩個(gè)正交方向的分量。

2 定向器有限元模態(tài)分析

2.1 定向器有限元模型

本文以某型號(hào)的火箭炮定向器為研究對(duì)象，首先利用三維軟件UG對(duì)其進(jìn)行建模，再將UG建立的模型導(dǎo)入到ANSYS中對(duì)定向器的模型進(jìn)行前處理。在UG中建立的火箭炮定向器簡(jiǎn)化模型如圖1所示，將UG三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS后生成的幾何模型如圖2所示。

2.2 定向器自由模態(tài)分析

對(duì)定向器進(jìn)行自由模態(tài)分析有助于在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)了解其自身結(jié)構(gòu)的一些固有特性。為模擬定向器的自由狀態(tài)，一般做法是將其整體懸掛起來(lái)，使整個(gè)定向器結(jié)構(gòu)與地面分離開。本文利用有限元軟件ANSYS對(duì)定向器進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，自由模態(tài)的計(jì)算是不施加任何位移約束的。對(duì)于自由模態(tài)的計(jì)算，前6階模態(tài)均為剛體模態(tài)，所以定向器自由模態(tài)的前6階模態(tài)固有頻率為零或接近于零。圖3為定向器自由模態(tài)下的一階振型云圖。

圖1 火箭炮定向器簡(jiǎn)化模型

圖2 火箭炮定向器在ANSYS中的幾何模型

圖3 定向器自由模態(tài)下一階振型云圖

2.3 定向器約束模態(tài)分析

對(duì)定向器進(jìn)行約束模態(tài)分析是為了反映定向器的實(shí)際約束情況。本文分析時(shí)將定向器兩邊用縱向夾板固定住，所以約束就施加在夾板固定住的兩邊位置。定向器約束模態(tài)下的一階振型云圖如圖4所示。

通過(guò)自由模態(tài)與約束模態(tài)的分析可以看出，自由模態(tài)下的一階固有頻率為110.417MHz，而約束模態(tài)下的一階固有頻率值為83.829 8MHz，約束模態(tài)下的固有頻率較自由模態(tài)下的固有頻率值要小。

3 總結(jié)

本文利用有限元軟件ANSYS對(duì)火箭炮定向器進(jìn)行了自由模態(tài)和約束模態(tài)的仿真分析，自由模態(tài)下的仿真結(jié)果可為定向器的初期研制和改進(jìn)提供理論參考，約束模態(tài)下的仿真結(jié)果可為定向器的實(shí)際工作狀態(tài)提供參考，避免定向器在工作狀態(tài)時(shí)發(fā)生共振。

圖4 定向器約束模態(tài)下一階振型云圖

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