基于相似理論的艦炮托架振動(dòng)特性相似性研究

龔軍軍, 富威, 左沅昊, 馬佳瑞, 丁和平

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著艦炮設(shè)計(jì)向高速化、大型化、輕量化、復(fù)雜化的趨勢發(fā)展,對(duì)艦炮進(jìn)行振動(dòng)特性分析越來越重要,艦炮設(shè)計(jì)不僅要考慮靜態(tài)特性,還要考慮整體動(dòng)態(tài)特性,艦炮射擊穩(wěn)定性和射擊精度與其振動(dòng)特性緊密相關(guān)。

托架是艦炮的主要支撐結(jié)構(gòu),它與旋回基座一起組成旋回架,共同支撐炮身與搖架,并帶動(dòng)炮身和搖架旋回轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)行方向瞄準(zhǔn)。射擊時(shí),托架承受著極為復(fù)雜的載荷,其動(dòng)態(tài)特性直接影響艦炮的整體性能。

于存貴等[1]對(duì)托架進(jìn)行了多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化,得到了同時(shí)滿足艦炮射角為0°,49°和方向角為0°時(shí)剛度最大以及動(dòng)態(tài)低階振動(dòng)頻率最大要求的艦炮托架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。岳炯[2]采用模態(tài)匹配技術(shù)[3]獲取了艦炮身管、搖架、托架各自最佳固有頻率,并對(duì)托架做了拓?fù)鋬?yōu)化,使其滿足匹配后的托架最佳固有頻率。黃觀明等[4]基于Ansys對(duì)某型艦炮托架做了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了托架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的目的。為了減小艦炮的振動(dòng),富威等[5-7]做了很多工作,將動(dòng)力吸振器引入艦炮減振中。崔運(yùn)山[8]將托架看作為梁單元組成的空間框架結(jié)構(gòu),基于振動(dòng)理論對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)特性分析。魏浩[9]對(duì)托架做了有限元?jiǎng)恿W(xué)分析。

為了驗(yàn)證前面學(xué)者所提出方法的有效性和對(duì)艦炮武器研制的適用性,需要進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,由于艦炮所受激勵(lì)大,實(shí)驗(yàn)設(shè)備承載能力和實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素的限制,很難進(jìn)行1∶1的實(shí)驗(yàn),因此,可以按照一定的相似關(guān)系制作艦炮相似比例模型來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),從而幫助指導(dǎo)艦炮武器設(shè)計(jì)。

相似性比例模型實(shí)驗(yàn)已在船模、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域應(yīng)用[10-13]。美國威斯康辛大學(xué)和卡特皮勒公司[14-15]等通過適當(dāng)控制單值條件,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了柴油機(jī)工作過程可較高程度相似。王路飛[16]將相似理論應(yīng)用到風(fēng)機(jī)性能上,并建立了計(jì)算模型。葛萌[17]利用相似理論對(duì)衛(wèi)星的天線結(jié)構(gòu)做了縮比模型研究,能夠較為精準(zhǔn)的預(yù)估天線原模型的振動(dòng)特性。李萬莉[18]對(duì)浮吊臂做了相似關(guān)系推導(dǎo)與仿真驗(yàn)證。大連理工大學(xué)的王文君[19]對(duì)起重臂進(jìn)行了基于相似理論的動(dòng)力學(xué)建模研究。

本文通過研究文獻(xiàn)[10-19]總結(jié)了他們利用的研究方法并應(yīng)用到本文基于相似理論的艦炮托架振動(dòng)特性相似性研究上來。本文的思路是利用量綱分析法、方程分析法以及有限單元法建立艦炮托架模態(tài)參數(shù)相似關(guān)系表達(dá)式,并通過有限元和實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證相似關(guān)系的正確性,從而將本文方法用于艦炮武器研制。

1 托架模態(tài)參數(shù)相似關(guān)系

對(duì)艦炮托架模型進(jìn)行原理簡化,確立了其是由5塊板單元組成的框架結(jié)構(gòu),如圖1所示。因此可以通過推導(dǎo)板單元的模態(tài)參數(shù)相似關(guān)系進(jìn)而求解出托架結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)相似關(guān)系。

圖1 托架模型

將板的中平面離散成四邊形單元,本文假設(shè)板只受到彎曲力矩的作用和板只有垂直于中面的撓度w和板繞x軸的轉(zhuǎn)角αx以及繞y軸的轉(zhuǎn)角αy。在彈性力學(xué)里,轉(zhuǎn)角(斜率)等于

(1)

為了使得四邊形單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的撓度和轉(zhuǎn)角連續(xù),必須將撓度和轉(zhuǎn)角設(shè)定為各節(jié)點(diǎn)位移。因此四邊形單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)自由度有3個(gè):包括撓度和2個(gè)轉(zhuǎn)角。四邊形單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn),則一共有12個(gè)位移,一共12個(gè)自由度。圖2為四邊形單元節(jié)點(diǎn)位移示意圖。

圖2 四邊形單元節(jié)點(diǎn)位移示意圖

節(jié)點(diǎn)i的位移向量可以表示為

δi={wi,αix,αiy}T

(2)

所以該單元的節(jié)點(diǎn)位移可以表示為

(3)

這里規(guī)定:撓度以坐標(biāo)軸的正方向?yàn)檎较?。由于四邊形單元含?2個(gè)自由度,因此本文確定了含有12個(gè)參數(shù)的多項(xiàng)式作為該單元的位移模式

(4)

(4)式中,Ni,Nix, …,Nly是形函數(shù),它們可以寫成通式。其中

(5)

ξi,ηi是各節(jié)點(diǎn)在局部坐標(biāo)中的坐標(biāo)值。根據(jù)(5)式可知,四邊形單元的節(jié)點(diǎn)位移的形函數(shù)矩陣為

(6)

由板殼振動(dòng)理論和彈性力學(xué)可知板內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)變可以表示為

(7)

將(4)式代入(7)式得。

B為板單元的應(yīng)變矩陣。由板殼振動(dòng)理論和彈性力學(xué)可知板內(nèi)微元體內(nèi)繞x軸的彎矩Mx,繞y軸的轉(zhuǎn)矩My以及扭矩Mxy有如下關(guān)系

D為板彎曲問題的彈性矩陣。根據(jù)單元?jiǎng)偠染仃嚬降贸鏊倪呅螁卧膯卧獎(jiǎng)偠染仃嚍?/p>

(12)

對(duì)(12)式中的參數(shù)進(jìn)行說明：

E為板的楊氏模量,t為板的厚度,a為板的長度,b為板的寬度,G為常數(shù)矩陣。

根據(jù)單元質(zhì)量矩陣公式得出四邊形單元的單元質(zhì)量矩陣為

(13)

對(duì)(13)式中的參數(shù)進(jìn)行說明:ρ為板的密度,C為常數(shù)矩陣。在很多工程實(shí)際問題中,板結(jié)構(gòu)的阻尼對(duì)自身的固有頻率和模態(tài)振型影響很小,因此在求解板結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型時(shí),可以忽略阻尼的影響。通過之前求得的四邊形單元的單元?jiǎng)偠染仃嚭蛦卧|(zhì)量矩陣組成板結(jié)構(gòu)總體的質(zhì)量矩陣和其總體的剛度矩陣,因此,可以得到板做自由振動(dòng)時(shí)忽略阻尼的動(dòng)力學(xué)方程。

(14)

式中

(15)

設(shè)方程(14)有以下解

y=φeωt

(16)

由此可以得出

(K-ω2M)φ=0

(17)

(18)

式中，γk和γm分別表示剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的縮比系數(shù)。因?yàn)樵Ｐ秃涂s比模型均采用的四邊形單元,均采用完全一樣的網(wǎng)格劃分方法,因此原模型和縮比模型的總體剛度矩陣和總體質(zhì)量矩陣之間也滿足和單元?jiǎng)偠染仃嚭蛦卧|(zhì)量矩陣一樣的縮比關(guān)系。所以可得。

(19)

由公式(17)～(19)可得縮比模型系統(tǒng)的本征特征值問題可以表示為

(γkK-ω2γmM)φ=0

(20)

根據(jù)(12)式和(13)式得

(21)

(22)

(23)

對(duì)(21)～(23)式中的參數(shù)進(jìn)行說明:下角標(biāo)p代表縮比模型,γE表示的是原模型彈性模量和預(yù)估模型之間關(guān)系的縮比系數(shù),γt表示的是原模型厚度和預(yù)估模型厚度方向之間關(guān)系的縮比系數(shù),γρ表示的是原模型密度和預(yù)估模型密度之間關(guān)系的縮比系數(shù),γa表示的是原模型幾何尺寸和預(yù)估模型幾何尺寸長度之間關(guān)系的縮比系數(shù),γb表示的是原模型幾何尺寸和預(yù)估模型幾何尺寸寬度之間關(guān)系的縮比系數(shù)。模態(tài)參數(shù)相似系數(shù)為

(24)

2 數(shù)值算例

本文僅對(duì)托架作幾何尺寸進(jìn)行縮比,且縮尺比為1∶2。尺寸如表1所示。

表1 托架原模型與縮比模型參數(shù)

對(duì)托架的原模型和縮比模型做了在自由邊界條件下的基于ANSYS的有限元法計(jì)算分析驗(yàn)證理論計(jì)算的相似關(guān)系的正確性。托架原模型與縮比模型的第7階到第12階固有頻率對(duì)比如表2所示,托架原模型和縮比模型的第10到第12階振型如圖3所示。

圖3 托架原模型和縮比模型的振型對(duì)比

利用托架縮比模型估計(jì)得到的托架原模型固有頻率與原模型的實(shí)際固有頻率誤差在2%以內(nèi),托架原模型和縮比模型的振動(dòng)趨勢幾乎一致,說明本文基于相似理論求得的托架縮比相似系數(shù)是比較精準(zhǔn)的。

縮比模型是基于相似理論這個(gè)前提建立的。本文托架工況是固支邊界條件,并利用相似理論建立了托架原模型與托架縮比模型在固支邊界條件下的振動(dòng)特性之間的相似關(guān)系,并進(jìn)行了數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,從圖3中托架原模型與其縮比模型的振型可以看出,原模型與縮比模型振型變化趨勢滿足其相似系數(shù),故本文工況下的托架變形滿足這個(gè)前提。

3 實(shí) 驗(yàn)

之前已經(jīng)通過理論計(jì)算了托架模態(tài)參數(shù)的相似關(guān)系,并通過有限元仿真對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。然而實(shí)際在做振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)常受到很多干擾因素的影響,這些干擾因素對(duì)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)造成多大的影響需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。本文將托架簡化為5塊板單元的組合體,由于托架結(jié)構(gòu)為5塊板單元按照一定順序依次連接在一起,其結(jié)構(gòu)較為特殊,因此本文將其看作為一個(gè)整體,即一塊有折彎的板,并對(duì)其進(jìn)行了有限元仿真,從表2和圖3可以得出,利用相似理論建立的托架振動(dòng)特性相似關(guān)系是正確的,因此實(shí)驗(yàn)對(duì)象可以用一塊平板代替托架。

因此本文只需要對(duì)2塊存在一定關(guān)系的板進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,即可證明本文推導(dǎo)求得的托架模態(tài)參數(shù)相似關(guān)系的正確性。本次實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備有:激勵(lì)系統(tǒng)主要為力錘,用作模態(tài)實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)源。采用振動(dòng)加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集,利用力傳感器進(jìn)行力信號(hào)傳感器。采用動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)采集響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)加速度信號(hào)和力信號(hào),然后通過DHDAS測試分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析整理,提取出被測件的模態(tài)參數(shù)信息。表3為本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備總表。圖4為與之對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖圖5 2塊板懸掛圖

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文通過實(shí)驗(yàn)的方式確定了板的縮比模型使用2根橡皮繩用作支撐系統(tǒng),板的原模型使用3根橡皮繩用作支撐系統(tǒng),并且結(jié)合有限元計(jì)算軟件計(jì)算了橡皮繩的懸掛位置,避免了橡皮繩的大幅度振動(dòng),如圖5所示。

本文在做2塊板的模態(tài)參數(shù)相似關(guān)系實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí),原模型和縮比模型網(wǎng)格劃分方式和個(gè)數(shù)一樣。原模型和縮比模型的測點(diǎn)都是15個(gè),用這15個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)來表征振型等模態(tài)參數(shù)。而且原模型和縮比模型的測點(diǎn)位置在直角坐標(biāo)系下都是一樣的,網(wǎng)格大小一樣,如圖6所示。

圖6 原模型和縮比模型測點(diǎn)布置圖

本文選用力錘作為激勵(lì)對(duì)2塊板分別進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)。將傳感器用磁力座固定在兩塊板上,并用502膠水再次固定,如圖7所示。

圖7 原模型和縮比模型傳感器安裝圖

將傳感器與采集儀連接,采集這15個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù),如圖8所示。

圖8 采集測點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)圖

將實(shí)驗(yàn)分析得到的板的原模型與縮比模型的固有頻率分別與通過有限元方法得到的固有頻率相比較,結(jié)果見表4～5。實(shí)驗(yàn)分析得到的縮比模型模態(tài)參數(shù)根據(jù)模態(tài)參數(shù)相似關(guān)系估計(jì)的原模型模態(tài)參數(shù)見表6。本文之所以列出板原模型與縮比模型第7階到第12階的固有頻率,是由于自由邊界下,板前6階頻率接近于零,前6階為剛體模態(tài),故在此處不列舉前6階頻率。第7階、第9階以及第10階的振型見圖9。

圖9 實(shí)驗(yàn)下原模型和縮比模型的振型對(duì)比

表4 板原模型固有頻率對(duì)照表

通過對(duì)表5和表6中的數(shù)據(jù)分析了解到利用有限元方法計(jì)算求得板原模型和縮比模型的固有頻率與實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果誤差在7%以內(nèi),表明本文選用橡皮繩懸掛板用以模擬自由邊界條件的正確性。然而對(duì)板原模型進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),板原模型的第8階固有頻率未激勵(lì)出來,分析原因是板原模型的第7階和第8階固有頻率太過于接近,這就導(dǎo)致模態(tài)分析時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備誤將第7階和第8階固有頻率當(dāng)作同一階固有頻率進(jìn)行考慮了,并沒有將第8階固有頻率單獨(dú)分析。

表5 板縮比模型固有頻率對(duì)照表

表6 實(shí)驗(yàn)條件下板原模型和縮比模型固有頻率對(duì)照表

通過對(duì)表6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析了解到通過板縮比模型的固有頻率基于模態(tài)參數(shù)相似關(guān)系求得的板原模型的固有頻率與實(shí)際振動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析得到的板的實(shí)際固有頻率誤差在10%以內(nèi),通過圖9可以了解到實(shí)驗(yàn)分析得到的原模型和縮比模型的振型變化趨勢較為一致,表明本文基于相似理論推導(dǎo)的托架模態(tài)參數(shù)相似關(guān)系是正確的,具有較好的工程實(shí)用性。

4 結(jié) 論

本文開展了基于相似理論的艦炮托架振動(dòng)特性相似性研究,主要結(jié)論有以下幾點(diǎn):

1) 將托架簡化為5塊板單元組成?；谟邢迒卧▽咫x散成有限個(gè)四邊形單元組成,推導(dǎo)求得了四邊形單元的單元質(zhì)量矩陣和單元?jiǎng)偠染仃?累加得到托架整體質(zhì)量矩陣和整體剛度矩陣,將質(zhì)量矩陣和剛度矩陣進(jìn)行縮比,利用量綱分析法、方程分析法并結(jié)合模態(tài)參數(shù)的導(dǎo)出公式,推導(dǎo)出來了托架模態(tài)參數(shù)的相似關(guān)系;

2) 對(duì)2塊存在一定比例關(guān)系的板進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn),獲取了2塊板的固有頻率,且用本文計(jì)算得到的相似關(guān)系預(yù)估另外一塊板的固有頻率與實(shí)驗(yàn)得到的固有頻率誤差在10%以內(nèi),數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)誤差在2%以內(nèi),由此可以證明本文理論方法是可行的,具有工程實(shí)用性,本文這個(gè)方法優(yōu)點(diǎn)在于可以給艦炮武器設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)參考,可以考慮先加工制造出艦炮的相似比例模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題,再繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。這樣可以節(jié)省材料,降低成本。

需要進(jìn)一步解決的問題:

本文求解艦炮托架振動(dòng)特性的相似關(guān)系的針對(duì)的是由多塊板單元組成的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行的托架模態(tài)參數(shù)相似關(guān)系求解,當(dāng)求解的對(duì)象包含板、殼以及梁單元時(shí),比如艦炮搖架,此時(shí)的相似關(guān)系求解需要進(jìn)一步研究。