艦炮建模仿真應(yīng)用研究

顏世剛，齊亞峰

(1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)41分隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125001； 2.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)43分隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125001)

艦炮機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝、材料、加工精度要求高，其設(shè)計(jì)和加工是否滿(mǎn)足要求，決定著艦炮射擊的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際試驗(yàn)鑒定中，為了檢測(cè)和考核艦炮是否滿(mǎn)足各項(xiàng)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求，最有效的手段是實(shí)彈射擊，但是實(shí)彈射擊成本高、組織實(shí)施難度大。通過(guò)艦炮有限元建模仿真，能夠輔助分析和評(píng)估艦炮的各項(xiàng)性能指標(biāo)，為試驗(yàn)分析提供有力的理論和數(shù)據(jù)支撐?；谟邢拊呐炁诮７抡?，模型的好壞直接影響評(píng)估分析的準(zhǔn)確性[1-2]。艦炮是一個(gè)高度復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，零部件眾多，發(fā)射過(guò)程具有很強(qiáng)的非線(xiàn)性，無(wú)論是建模還是仿真均有很大難度[3]，本文分析了基于有限元的艦炮仿真建模應(yīng)用中的一些問(wèn)題和技巧，結(jié)合不同仿真軟件對(duì)艦炮仿真分析，如HyperMesh和ABAQUS的聯(lián)合仿真；HyperMesh為前處理軟件，能夠建立各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型，指標(biāo)全面；ABAQUS在解決非線(xiàn)性問(wèn)題，尤其是解決復(fù)雜的接觸、碰撞問(wèn)題等方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[4-5]。

1 有限元建模分析

在有限元分析中，首先是對(duì)所要研究的對(duì)象進(jìn)行進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)的分析、歸類(lèi)，選擇合適的物理模型進(jìn)行有限元分析建模。不同物理模型之間的區(qū)別在于假定的幾何模型不同[6-7]。在研究艦炮有限元建模中，采用的實(shí)體單元的形狀有六面體和楔形體，殼單元的形狀以四邊形為主，有少量三角形單元，實(shí)際結(jié)構(gòu)要根據(jù)各自的物理特征選擇相應(yīng)類(lèi)型的單元。

實(shí)體部件在結(jié)構(gòu)建模中要進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格化的精細(xì)程度決定了模型的逼真度，同時(shí)也影響仿真的速度和精度。當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模的靜態(tài)分析時(shí)，對(duì)于位移分析，模型網(wǎng)格的精細(xì)度可以降低，如果求解應(yīng)力分布，模型網(wǎng)格的精細(xì)度要適當(dāng)提高[8]。

在研究的艦炮有限元建模中，網(wǎng)格尺寸選取的原則是零部件分析的單元基本尺寸5 mm，最小單元尺寸2 mm；系統(tǒng)分析的單元基本尺寸10 mm，最小單元尺寸4 mm；特殊精度要求的區(qū)域適當(dāng)細(xì)化。

網(wǎng)格疏密分布是指根據(jù)需要在結(jié)構(gòu)的不同部位分布不同的網(wǎng)格密度[9-11]。位移分析、結(jié)構(gòu)固有特性分析、溫度場(chǎng)分析，盡量使模型網(wǎng)格均勻分布；在梯度變化較大的結(jié)構(gòu)模型部位(如應(yīng)力集中區(qū))，盡量采用密集網(wǎng)格。艦炮結(jié)構(gòu)建模重點(diǎn)關(guān)注的質(zhì)量指標(biāo)有雅可比、外觀比、翹曲度、偏斜度、內(nèi)角等。

在艦炮結(jié)構(gòu)建模時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件繁多，形狀各異，因此建模形成的單元類(lèi)型多樣，在互相結(jié)合時(shí)，不同類(lèi)型單元的節(jié)點(diǎn)自由度和節(jié)點(diǎn)配置會(huì)出現(xiàn)不一致的情況，為確保不同結(jié)構(gòu)的模型單元在交界面上的位移協(xié)調(diào)性，殼元與體元的連接采用SHELL-TO-SOLID耦合約束[11]，不同類(lèi)型單元的連接如圖1、圖2所示。

圖1 實(shí)體單元與殼單元連接

圖2 殼單元與殼單元連接

2 艦炮實(shí)體模型簡(jiǎn)化與處理原則

實(shí)體建模通常不使用HyperMesh和ABAQUS，艦炮CAD模型是在其他專(zhuān)用三維造型軟件中按照其實(shí)際尺寸完成，完成后導(dǎo)入HyperMesh和ABAQUS軟件中進(jìn)行有限元建模處理。

有限元分析中有兩類(lèi)坐標(biāo)系：全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系。本文中全局坐標(biāo)系，定義如下：直角坐標(biāo)系o_xyz的三軸按如下方式定義：x軸沿身管軸線(xiàn)指向炮口方向?yàn)檎?，y軸豎直向上為正方向，z軸以右手定則確定。局部坐標(biāo)系是用戶(hù)自己定義的坐標(biāo)系，目的是為了加載、約束或裝配的方便。當(dāng)載荷或約束的方向與全局坐標(biāo)系不一致時(shí)，應(yīng)采用局部坐標(biāo)系。

艦炮CAD模型在專(zhuān)用三維造型軟件中完成，而有限元網(wǎng)格劃分采用HyperMesh軟件，兩種軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交流時(shí)需要格式轉(zhuǎn)換。實(shí)體模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中時(shí)，首先要注意各模型單元之間的位置不能錯(cuò)亂、關(guān)系必須正確；其次各模型單元的幾何模型的尺寸必須正確，允許各面有微小缺陷、裂縫和自由邊；最后根據(jù)剛強(qiáng)度建模的需求，對(duì)非受力件做簡(jiǎn)化處理，對(duì)各面有微小缺陷、裂縫和自由邊的情況利用HyperMesh的對(duì)應(yīng)工具進(jìn)行修補(bǔ)[13]。

3 某型艦炮有限元建模仿真示例

艦炮的有限元建模采用模塊化思想，這提高了建模的效率，節(jié)省了時(shí)間和精力，便于后期方案的修改、重組分析和模型修改完善。為了保證導(dǎo)入模型的質(zhì)量，我們把全炮的實(shí)體模型分成幾個(gè)結(jié)構(gòu)部件單獨(dú)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出，這符合模塊化建模的思想。在進(jìn)行實(shí)體部件建模時(shí)，將艦炮劃分為后坐、搖架、上架和底盤(pán)等4個(gè)主要部分，每個(gè)部分劃分成若干小部件單元，每個(gè)小部件又由形狀各異的零件組成[12]。各個(gè)模塊既可以單獨(dú)分析，又可以與其他模塊通過(guò)定義約束關(guān)系組合在一起分析。需要對(duì)某些部件或零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改時(shí)，只需取出該部分所在的模塊進(jìn)行修改，其他的模塊不需要作任何變動(dòng)。

以實(shí)際定型的某新型艦炮為研究對(duì)象，其需要建模的部件主要分為四部分：后座、搖架、上架、底盤(pán)。對(duì)艦炮各主要部件的仿真模型建立正確的連接關(guān)系，并施加各種載荷，完成其靜態(tài)模式下應(yīng)力應(yīng)變的仿真。

1) 主要部件有限元建模網(wǎng)格化原則

后坐部分主要包括身管、炮尾、炮閂及反后坐裝置上的運(yùn)動(dòng)部件。炮尾和身管均采用三維實(shí)體單元，單元類(lèi)型以六面體為主，含少量楔形體。

搖架的前襯套、搖架筒、左右耳軸、齒弧等采用三維實(shí)體單元，其余部分采用殼單元。

上架兩側(cè)板、底板、筋板采用殼單元，耳軸室采用三維實(shí)體單元。

底盤(pán)上的座圈采用三維實(shí)體單元，其余采用殼單元。

2) 機(jī)構(gòu)接觸碰撞建模原則

艦炮系統(tǒng)中的接觸/碰撞現(xiàn)象具有以下特點(diǎn)：一是受到瞬時(shí)沖擊載荷；二是相互接觸的零部件之間有大位移滑動(dòng)摩擦，如炮身的后坐運(yùn)動(dòng)。艦炮接觸/碰撞問(wèn)題建模的界面如圖3、圖4所示。

圖3 炮身后坐部分接觸/碰撞建模界面

圖4 炮尾與搖架滑軌

3) 連接關(guān)系及邊界條件建模

通過(guò)HyperMesh二級(jí)菜單欄鏈接ABAQUS/CAE，在其Interaction功能模塊定義接觸關(guān)系、約束關(guān)系、連接關(guān)系等[14]，其相互作用主要有以下幾種:

① Interaction定義模型各部分之間或模型與外部環(huán)境之間的力學(xué)或熱相互作用。

② Constraint定義模型各部分之間的約束關(guān)系，如綁定約束、剛體約束等

③ Connector定義模型中的兩點(diǎn)之間或模型與地面之間的連接單元，用來(lái)模擬固定連接、鉸接、恒定速度連接、止動(dòng)裝置、內(nèi)摩擦、失效條件和鎖定裝置等。

④ 主菜單Special中的Springs/Dashpots定義模型中的兩點(diǎn)之間或模型與地面之間的彈簧和阻尼器。

身管與炮尾之間、炮尾與炮閂、座圈與底盤(pán)采用Tie連接(固定連接關(guān)系)，上架與搖架之間采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副連接，上架與底盤(pán)通過(guò)結(jié)構(gòu)固連。采用連接關(guān)系建模如圖5～圖8所示。

4) 發(fā)射載荷建模

艦炮發(fā)射載荷一般有膛底壓力、復(fù)進(jìn)機(jī)力、制退機(jī)力、重力等，通過(guò)菜單欄鏈接ABAQUS/CAE，在其Load功能模塊進(jìn)行發(fā)射載荷建模。ABAQUS/CAE Load功能模塊中的載荷包括集中力、力矩、壓力、板殼邊上的力或彎矩、面上載荷、管壓力、體力、線(xiàn)載荷、重力、螺栓力、位移/轉(zhuǎn)角、速度/角速度、加速度/角加速度、溫度、聲音壓力、孔隙壓力等[5,14]。其中，膛底壓力的載荷建模如圖9所示，復(fù)進(jìn)機(jī)力與制退機(jī)力施加方式如圖10所示。

圖7 上架與底盤(pán)之間的連接

圖8 座圈與底盤(pán)之間的連接

圖9 膛底壓力加載

圖10 復(fù)進(jìn)機(jī)力與制退機(jī)力加載

5) 有限元模型檢查

艦炮有限元模型的規(guī)模一般較大，達(dá)到十幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)個(gè)單元，有的模型達(dá)到上百萬(wàn)個(gè)單元，幾十個(gè)組，上百個(gè)連接單元，在建模時(shí)難免出現(xiàn)差錯(cuò)。整個(gè)模型建好后要重點(diǎn)檢查零部件間的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、連接關(guān)系、模型與艦炮實(shí)體的吻合程度、接觸分析、邊界條件與配重等。

網(wǎng)格質(zhì)量：檢查自由邊、重復(fù)單元、雅可比、外觀比、翹曲度、偏斜度、內(nèi)角等。要求無(wú)重復(fù)單元、自由邊、單排單元，焊接邊有兩排以上單元；按照質(zhì)量檢查文件，無(wú)紅色單元，黃色單元不超過(guò)5%。

連接關(guān)系：檢查螺栓的連接、焊接、粘結(jié)、柔性體與剛體的連接、不同類(lèi)型單元之間的連接等。要求連接關(guān)系正確，重要區(qū)域的連接無(wú)遺漏，無(wú)自由單元、重復(fù)單元和自由邊，自由度的約束要完全。

邊界條件：檢查載荷的作用點(diǎn)、大小、方向和載荷曲線(xiàn)，檢查約束區(qū)域、自由度個(gè)數(shù)。要求作用點(diǎn)、大小、方向、載荷曲線(xiàn)正確，束條件正確，約束自由度、區(qū)域大小合理無(wú)沖突。

模型與實(shí)體的吻合程度:檢查部件位置、裝配體位置、部件質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、裝配體質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。要求每個(gè)部件及整個(gè)裝配體應(yīng)處于實(shí)際的初始位置，部件及整個(gè)裝配體的質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)與實(shí)際情況一致。

接觸分析：檢查接觸類(lèi)型、接觸關(guān)系、接觸面、穿透性。要求類(lèi)型合理、屬性正確，確保接觸面正確、無(wú)穿透。

配重：檢查位置、質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。要求配重件連接在剛度較大的部件上，質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等與實(shí)體模型匹配。

4 艦炮靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的仿真

在艦炮靜態(tài)狀態(tài)下，選擇不同高低角，輸入不同的載荷，分析艦炮各個(gè)部件的應(yīng)力應(yīng)變情況，獲取各部件應(yīng)力和位移變化數(shù)據(jù)，找出應(yīng)力位移變化的最大部位，對(duì)艦炮測(cè)試檢查、故障分析排除提供理論數(shù)據(jù)支持。艦炮高低角可根據(jù)其實(shí)際工作狀態(tài)選擇多組典型角度，下面選擇極限70°高低角作為研究狀態(tài)。

艦炮靜態(tài)有限元模型中包括搖架、上架和底盤(pán)，不包括后坐部分，后坐部分對(duì)搖架的作用通過(guò)搖架前、后襯筒對(duì)炮身的支持力N1、N2及駐退機(jī)力和復(fù)進(jìn)機(jī)力來(lái)反映。

極限工況高低角：70°；施加的載荷：復(fù)進(jìn)機(jī)力Ffj、駐退機(jī)力Fzt、自身重力G、炮身對(duì)搖架前N1、后襯筒的支持力N2，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

約束：上架座圈與對(duì)應(yīng)的連接部件相接觸的表面為固定約束。

表1 艦炮靜態(tài)計(jì)算載荷

下面僅通過(guò)對(duì)搖架的應(yīng)力應(yīng)變仿真情況進(jìn)行分析，其他部件情況仿真分析類(lèi)似。

搖架強(qiáng)度仿真計(jì)算后的應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖11 搖架應(yīng)力云圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出搖架最大應(yīng)力為259.1 MPa，位于搖架筒前端靠近制退機(jī)筒后方。

搖架剛度仿真計(jì)算位移云圖如圖12。左右耳軸中心的變形數(shù)據(jù)如表2所示。

圖12 搖架位移云圖

從表2可以看出：

1) 左右耳軸中心位移分布為0.499 mm和0.514 mm，變位差為0.015 mm。

2) 左右耳軸中心在x、y、z三個(gè)方向的變位差分別為0.008 mm、0.007 mm和0.026 mm。

3) 左右耳軸中心的變位差較小，左右變形基本對(duì)稱(chēng)。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，搖架最大位移為1.702 mm，位于搖架復(fù)進(jìn)機(jī)前端，左右耳軸中心位移分布為0.499 mm和0.514 mm，變位差為0.015 mm。

通過(guò)以上仿真計(jì)算能夠分析出搖架受到最大應(yīng)力部位和最大應(yīng)力值，分析出最大形變部位及其形變量，從而結(jié)合艦炮技術(shù)指標(biāo)分析其是否符合研制技術(shù)要求，也能為艦炮武器的故障定位、分析排除提供理論支持。

表2 左右耳軸中心變形(70°高低角)

5 結(jié)論

1) 更加復(fù)雜的艦炮運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，是分析艦炮射擊、開(kāi)火等運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力應(yīng)變重要手段，其基礎(chǔ)也是基于前期的建模和靜態(tài)仿真。

2) 艦炮建立精細(xì)有限元模型是一個(gè)復(fù)雜的工作，首先根據(jù)實(shí)際裝備建立三維CAD模型，然后進(jìn)行模型的網(wǎng)格精細(xì)劃分，最后對(duì)發(fā)射載荷、接觸關(guān)系、邊界條件、求解策略進(jìn)行設(shè)置。

3) 復(fù)進(jìn)機(jī)、制退機(jī)是時(shí)間、位移、速度的函數(shù)，必須在實(shí)際工作中對(duì)對(duì)仿真軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，正確建立載荷模型。