基于有限元技術(shù)的模擬后坐力影響因素分析

朱高貴 陸星宇

（南京模擬技術(shù)研究所，江蘇南京210016）

0 引言

在靶場(chǎng)訓(xùn)練產(chǎn)品中，模擬武器是客戶感受和體驗(yàn)的最直觀的產(chǎn)品之一，其功效的優(yōu)良對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)品的品質(zhì)有著重要的影響?，F(xiàn)有市場(chǎng)上的模擬武器產(chǎn)品在外形、重量及操控等方面的研究已較為成熟，但對(duì)于其后坐力的模擬是一直是仿真武器研制過(guò)程中的難點(diǎn)與瓶頸。

本文針對(duì)后坐力的模擬問(wèn)題，以某型仿真武器為研究對(duì)象，對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)/力學(xué)模型的建立[1-2]，在設(shè)計(jì)上給予理論支撐；此外，依托有限元?jiǎng)恿W(xué)分析技術(shù)[3]，對(duì)影響其后坐力的主要因素進(jìn)行分析和優(yōu)化，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供控制指標(biāo)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)空白。

1 后坐力理論分析

模擬后坐力給受訓(xùn)人員的真實(shí)感覺(jué)來(lái)自于高壓氣體瞬間釋放引起的機(jī)座高速運(yùn)動(dòng)撞擊擊錘形成的能量轉(zhuǎn)化及在復(fù)位簧的作用下實(shí)現(xiàn)機(jī)座的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 模擬后坐力模型

假設(shè)機(jī)座、橋架、活塞的質(zhì)量和為m，最大速度為v，氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力為P0，氣缸內(nèi)氣體壓力為P，外部大氣壓為Pex，氣缸橫截面積為S，摩擦力大小為Ff（此處為多個(gè)摩擦力的合力，如活塞與氣缸之間、機(jī)座與支架之間等），活塞初始位置至泄氣位置長(zhǎng)度為lA，所需時(shí)間為Δt1，活塞泄氣位置至行程最大位置為lB，所需時(shí)間為Δt2，總行程為l，所需總時(shí)間為Δt，彈簧剛度為k（此處為多個(gè)彈簧的等效剛度），則其最大動(dòng)能可以表示為：

即：

當(dāng)活塞移動(dòng)至泄氣位置后，氣缸內(nèi)壓力急劇下降（氣缸內(nèi)氣體仍對(duì)活塞做功），隨后動(dòng)能克服摩擦力轉(zhuǎn)化為彈簧的勢(shì)能：

即：

總體來(lái)看，氣缸氣體做功在克服摩擦力和外部大氣壓后轉(zhuǎn)化為彈簧的勢(shì)能：

隨后彈簧勢(shì)能釋放，在克服摩擦力后，轉(zhuǎn)化為m的動(dòng)能：

最后，機(jī)座在彈簧的勢(shì)能作用下回歸原位。

同樣地，進(jìn)行動(dòng)量分析，亦可知?dú)飧讱鈮?、外部大氣壓、摩擦力、彈簧力?duì)活塞的沖量等于m的動(dòng)量。

由此可知，模擬后坐力與氣缸橫截面積S、活塞行程l、氣缸壓力P（x）、摩擦力Ff、彈簧剛度k有關(guān)。其中除氣缸壓力P（x）之外，其余參數(shù)均為常量，而P（x）則與氣瓶壓力P0相關(guān)。由式（6）可知若提高撞擊能量，可通過(guò)提高lA、lB的途徑；又由式（5）可知，lB的大小與P（x）、S正相關(guān)，可采用提高氣瓶壓力P0、氣缸橫截面積S的方法。

綜上所述，模擬后坐力影響因素如表1所示。

表1 模擬后坐力影響因素

2 仿真分析

2.1 有限元建模

初始模型為SolidWorks文件，對(duì)初始文件進(jìn)行幾何處理，將處理好的幾何模型導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出K文件，通過(guò)顯式?jīng)_擊動(dòng)力學(xué)分析程序ANSYS_Lsdyna進(jìn)行仿真計(jì)算。

只考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)功能部分，包括橋架、氣缸、活塞、密封圈。劃分空氣域網(wǎng)格將氣缸覆蓋，將進(jìn)氣口部分設(shè)置為高壓空氣邊界，結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格劃分如圖2所示，流體部分網(wǎng)格劃分如圖3所示。采用流固耦合算法進(jìn)行計(jì)算。

圖2 結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格劃分

圖3 流體部分網(wǎng)格劃分

2.2 材料參數(shù)

仿真計(jì)算中材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

基于已建立的有限元模型，采用ANSYS_Lsdyna通用動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行求解，計(jì)算分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 空氣域特征單元壓力變化曲線

從圖4中可以看到，氣缸中空氣壓力在高壓空氣作用后壓力較為均勻，但大小呈下降趨勢(shì)，最大壓力約為0.5 MPa。取壓力對(duì)時(shí)間的積分，如圖5所示。

圖5 氣缸氣壓時(shí)間積分曲線

考慮t=0 μs至t=3 000 μs的過(guò)程，氣缸中空氣對(duì)活塞的沖量大小為：

考慮t=0 μs至t=3 000 μs的過(guò)程，外部大氣壓對(duì)活塞的沖量大小為：

活塞的速度曲線如圖6所示。

從圖6中可以看到，在t=3 000 μs時(shí)，活塞速度為7.3 m/s，故可知m的動(dòng)量為：

由式（8）、式（7）、式（10）可知摩擦力對(duì)沖量的貢獻(xiàn)為：

由此可知摩擦力在仿真武器工作過(guò)程中的影響較小，應(yīng)著重考慮氣缸內(nèi)空氣壓力的影響，而氣缸內(nèi)空氣壓力的變化與氣瓶壓力、氣缸尺寸相關(guān)，具體關(guān)系需通過(guò)多工況仿真和相關(guān)理論做進(jìn)一步分析。

圖6 活塞速度變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文從理論分析、有限元仿真兩個(gè)角度對(duì)仿真武器機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析，模擬后坐力來(lái)自于機(jī)座及關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)造成的沖擊。通過(guò)分析仿真武器工作過(guò)程，得到了模擬后坐力的影響因素。通過(guò)設(shè)計(jì)多工況仿真可確定影響因素的作用大小，進(jìn)而對(duì)仿真武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。