ANSYS精細(xì) 簡(jiǎn)化建模下彈體動(dòng)態(tài)特性比較

摘 要：對(duì)彈體動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)，理論計(jì)算是將彈體進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)等效后作為梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，但所得結(jié)果精度比較低。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)通常采用試驗(yàn)敲擊彈體產(chǎn)生激勵(lì)的有限元模態(tài)分析，但一定要有實(shí)體彈體結(jié)構(gòu)才能開(kāi)展測(cè)試動(dòng)態(tài)特性，本文針對(duì)飛行速度、長(zhǎng)徑比都在不斷增加的彈體在進(jìn)行ANSYS動(dòng)態(tài)特性仿真分析時(shí)采用的建模方式提出比較優(yōu)化，倡導(dǎo)在進(jìn)行復(fù)雜彈體結(jié)構(gòu)建模時(shí)采用合理簡(jiǎn)化，用殼體的假密度、等效質(zhì)量模擬復(fù)雜的除彈體外的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使復(fù)雜彈體結(jié)構(gòu)模型的極大簡(jiǎn)化和所耗求解時(shí)間大大降低，同時(shí)又能使求解精度足夠。

關(guān)鍵詞：精細(xì)建模；簡(jiǎn)化建模；動(dòng)態(tài)特性

在當(dāng)代武器系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，大威力、遠(yuǎn)射程逐漸成為各個(gè)國(guó)家軍隊(duì)的強(qiáng)烈需求指標(biāo)，新型武器彈體的飛行馬赫數(shù)、彈體長(zhǎng)度與直徑之比等指標(biāo)都比以往有較高增幅。而這些指標(biāo)對(duì)當(dāng)今武器系統(tǒng)的彈體設(shè)計(jì)的影響不可忽視，特別是整彈結(jié)構(gòu)在主被動(dòng)端動(dòng)態(tài)特性對(duì)彈體飛行中的內(nèi)外彈道性能干擾較大，因此就有必要對(duì)這些指標(biāo)影響的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析研究。當(dāng)前比較常用的是采用有限元法進(jìn)行模態(tài)分析，常用的模態(tài)分析軟件有Ansys和Workbench。對(duì)彈體動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)，理論計(jì)算是將彈體進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)等效后作為梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，但所得結(jié)果精度比較低。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)通常采用試驗(yàn)敲擊彈體產(chǎn)生激勵(lì)的有限元模態(tài)分析，但一定要有實(shí)體彈體結(jié)構(gòu)才能開(kāi)展測(cè)試動(dòng)態(tài)特性。

本文通過(guò)采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)彈體進(jìn)行模態(tài)仿真數(shù)值求解其動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行彈體的精細(xì)建模和簡(jiǎn)化建模，通過(guò)兩種建模條件下彈體動(dòng)態(tài)特性的比較，探索效率更高而又不使有限元模態(tài)數(shù)值仿真精度下降的建模方式。

1 ANSYS模態(tài)分析原理

2 對(duì)彈體ANSYS建模

ANSYS中單位采用：毫米（mm），千克（kg），毫秒（ms），GPa。

進(jìn)行彈體有翼、內(nèi)部零部件、不同質(zhì)量密度等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)建模，需要考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)和材料的彈性模量和泊松比。精細(xì)建模后整體網(wǎng)格劃分如圖1所示。

進(jìn)行彈體簡(jiǎn)化（將上述翼等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的質(zhì)量等效到彈體的各段回轉(zhuǎn)體零件質(zhì)量上）建模，對(duì)彈體進(jìn)行質(zhì)量等效，由彈體各零部件及外部回轉(zhuǎn)彈體殼體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行實(shí)體建模求得其理論體積，根據(jù)整個(gè)彈體等效質(zhì)量計(jì)算理論等效密度，即所謂的假密度。彈體各部份材料彈性模量均假設(shè)為鋼的彈性模量：E=210（GPa），泊松比均為：μ=0.3，等效密度取其等效質(zhì)量與體積所得出的理論值，簡(jiǎn)化建模后整體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

3 模態(tài)仿真數(shù)值求解及結(jié)果

在ANSYS進(jìn)行相關(guān)模態(tài)仿真設(shè)置，求解主被動(dòng)段上述兩種模型的動(dòng)態(tài)特性。如圖3所示為精細(xì)建模彈體在主動(dòng)段的四階彎曲振型，求解時(shí)間較長(zhǎng)，各階振型中含彈體結(jié)構(gòu)靜止?fàn)顟B(tài)下的比照（被動(dòng)段該四階振型類似不再贅述，簡(jiǎn)化建模同此；被動(dòng)段彈體ANSYS有限元模型中燃燒室密度變?yōu)樽冃。溆嘣O(shè)置、網(wǎng)格劃分、求解規(guī)模等同主動(dòng)段彈體ANSYS模型。）；如圖4所示為簡(jiǎn)化建模彈體在主動(dòng)段的四階彎曲振型，求解時(shí)間較短。兩種模型求解結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下表所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述有限元數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，比較精細(xì)建模彈體固有頻率和簡(jiǎn)化建模彈主動(dòng)段、被動(dòng)段動(dòng)態(tài)性的固有頻率，可以發(fā)現(xiàn)帶翼等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)建模彈體結(jié)構(gòu)固有頻率和振型與簡(jiǎn)化建模彈體的模態(tài)結(jié)果差別不大。在建模過(guò)程中，由于彈體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以將組成整彈的復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全部建模就顯得沒(méi)有必要。在彈體結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS求解模態(tài)即固有頻率與振型時(shí)，則整彈結(jié)構(gòu)建模的簡(jiǎn)化要趨于適宜的求解規(guī)模，否則求解困難，且求解時(shí)間冗長(zhǎng)。簡(jiǎn)化建模的關(guān)鍵在于將除彈體外的復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用回轉(zhuǎn)彈體的等效密度替代。這使復(fù)雜彈體結(jié)構(gòu)模型的極大簡(jiǎn)化和所耗求解時(shí)間大大降低，同時(shí)又能使求解精度足夠，這為后續(xù)其他有限元仿真計(jì)算提供高效率及足夠精確求解的彈體簡(jiǎn)化建模提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：王力（1985-），男，碩士，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與材料檢測(cè)。