某轉(zhuǎn)管武器后坐力靜態(tài)標(biāo)定裝置的設(shè)計與分析

□ 牛碧凱 □ 王惠源 □ 趙良偉

1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院 太原 030051

2.中國兵器工業(yè)208所 北京 102200

某轉(zhuǎn)管武器后坐力靜態(tài)標(biāo)定裝置的設(shè)計與分析

□ 牛碧凱1□ 王惠源1□ 趙良偉2

1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院 太原 030051

2.中國兵器工業(yè)208所 北京 102200

針對某轉(zhuǎn)管武器后坐力的標(biāo)定，設(shè)計了一種后坐力靜態(tài)標(biāo)定裝置，并對裝置內(nèi)部的關(guān)鍵部件推力桿分別利用歐拉公式和ANSYS軟件對其進行理論求解和仿真分析，進行了穩(wěn)定性校核。并將兩者結(jié)果進行對比，證明了該構(gòu)件設(shè)計的合理性和運用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬的可靠性。

后坐力標(biāo)定 有限元分析 ANSYS 穩(wěn)定分析

武裝直升機發(fā)射武器時，武器的后坐力加入到原來的平衡系統(tǒng)中，直升機的運動狀態(tài)將會發(fā)生變化。若這種變化十分劇烈，就會降低武器的射擊精度，甚至引起飛行安全問題［1］。因此，在航空武器進行上機試驗前，需要對武器的后坐力進行靜態(tài)標(biāo)定。針對某型號轉(zhuǎn)管航空機槍后坐力標(biāo)定，設(shè)計了一種加載裝置對后坐力進行靜態(tài)標(biāo)定，并對裝置中的關(guān)鍵部件進行了理論分析和有限元特征屈曲分析。

ANSYS是著名的有限元數(shù)值模擬軟件，在工程計算中的應(yīng)用非常廣泛。屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定荷載作用下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，屈曲分析包括線性特征值屈曲分析和非線性屈曲分析［2］。線性特征值屈曲分析是進行非線性屈曲分析的基礎(chǔ)，線性特征值屈曲分析通常情況下可以為非線性屈曲分析提供合理的初始屈曲模態(tài)和與之對應(yīng)的特征值。在非線性屈曲分析中，可以考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷、塑性行為、大變形響應(yīng)等因素的影響，以更準確地模擬實際桿件的加載情況。

1 標(biāo)定體系的組成

靜態(tài)標(biāo)定裝置由立柱、推力絲桿、套筒、傳感器座、推桿、推力桿等機構(gòu)組成，裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作時首先由人工轉(zhuǎn)動力矩扳手帶動推力絲桿運動，推力絲桿推動軸承座和壓力傳感器座向前直線運動，壓力傳感器測出傳遞力的大小并推動推桿向前運動，最后由裝置前端的兩個推力桿推動航槍的緩沖裝置進行靜態(tài)標(biāo)定。

由于所標(biāo)定的后坐力數(shù)值很大，并且裝置中的傳遞力由推力桿傳遞給緩沖簧，因此要保證推力桿的同軸度，并且保證推力桿在工作過程中不能變形。在設(shè)計過程中必須要考慮推力桿能不能實現(xiàn)同軸且不會失穩(wěn)，因此要對推力桿的材料和形狀進行穩(wěn)定性分析。該推力桿選用材料為45號鋼，屈服極限σs=350 MPa；比例極限σp=280 MPa；彈性模量E=210 GPa；穩(wěn)定安全因數(shù)nst=9。

▲圖1 靜態(tài)標(biāo)定裝置組成結(jié)構(gòu)

▲圖2 標(biāo)定裝置三維圖

▲圖3 航空機槍示意圖

2 基于經(jīng)典理論的計算

推力桿與連接塊之間的配合是過盈配合，因此在分析中可以作出假設(shè)：①由于推力桿的直徑相對于長度很小，可以把推力桿簡化為一細長桿，假定推力桿為受壓細長桿件；②推力桿與連接塊配合處可以假設(shè)為推力桿底端固定、另一端自由受力；③ 假定從緩沖簧反作用于推力桿的力是在推力桿軸線上；④ 假定在計算中是等截面計算，取最危險的半徑即凸臺半徑為推力桿穩(wěn)定計算半徑。

根據(jù)以上假設(shè)可以計算推力桿的臨界壓力：

式中：Fcr為推力桿的臨界壓力；E為彈性模量；I為橫截面的慣性矩；μ為長度因數(shù)，取μ=2；l為推力桿長度。

與臨界壓力對應(yīng)的應(yīng)力為：

把式中橫截面積的慣性矩I寫成：

式中：i為截面的慣性半徑。

這樣，式（2）可以寫成：

式中：λ=μl/i。

λ稱為柔度或長細比，它集中地反應(yīng)了推力桿的長度、約束條件、截面尺寸和形狀等因素對臨界應(yīng)力σcr的影響［3］。

根據(jù)式（4），可以計算出極限值柔度為86，在本次理論計算中為等截面分析，可以取凸臺直徑大小作為計算直徑，即20 mm，根據(jù)式（5）計算得出柔度值為140，該推力桿為大柔度推力桿。根據(jù)歐拉公式可以計算出臨界壓力Fcr=33 170.4 N。

3 有限元分析

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

建立正確的推力桿有限元模型是進行有限元分析的關(guān)鍵，在進行有限元分析時，主要分析推力桿在最危險截面的情況下滿足穩(wěn)定要求的情況，可以把推力桿看成細長桿進行有限元特征值屈曲分析。在進行單元選擇時，選用BEAM189單元，BEAM189為計入剪切效應(yīng)和大變形效應(yīng)的3-D線性有限應(yīng)變梁，適合于分析從細長到中等短粗梁結(jié)構(gòu)。基于Timoshenko梁理論認為，在變形前，梁的橫截面與梁的幾何中心線是垂直的，而變形后，由于考慮了橫向剪切，其橫截面不再與幾何中心面相垂直，而這個不垂直量即為橫向剪切量，整個量的計算可以通過嚴格的推導(dǎo)得出［4］。對于不同梁有不同的剪切修正系數(shù)，計算結(jié)果接近實體模型。因此，選用BEAM189單元進行單元網(wǎng)格劃分，建立的模型和劃分網(wǎng)格如圖4所示。

3.2 應(yīng)力分析

引入合適的邊界條件能提高計算精度，邊界約束應(yīng)該盡量與實際相符，避免出現(xiàn)過約束或欠約束［5］。本計算先在模型的底端施加固定位移約束，然后再施加載荷進行求解。求解完成后進入后處理模塊，查看推力桿彈性體的相對應(yīng)力分布和屈曲載荷系數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

由分析結(jié)果可以看出，顯示的屈曲載荷系數(shù)為31 525.6，由于在靜應(yīng)力分析時給結(jié)構(gòu)施加的是單位載荷，所以該推力桿的臨界壓力即為31 525.6 N，與理論分結(jié)果相比相對誤差為4.9%。

4 結(jié)論

通過本研究可以得到以下結(jié)論。

▲圖4 推力桿簡化模型網(wǎng)格

▲圖5 推力桿簡化模型分析結(jié)果

（1）本文首先建立一種新型的后坐力靜態(tài)標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)，并對其中關(guān)鍵部件進行了理論分析和有限元特征值屈曲分析，證明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和適用性。

（2）通過對推力桿彈性體進行ANSYS有限元屈曲分析，得到了桿件的相對應(yīng)力分布和屈曲載荷系數(shù)，并和理論計算結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)通過ANSYS計算得到的結(jié)果與歐拉公式計算結(jié)果相差較為吻合，證明了ANSYS計算結(jié)果在工程應(yīng)用中的可參考性。

（3）通過本次分析計算，可以為以后該標(biāo)定裝置的改進和優(yōu)化提供參考。

［1］向錦武，楊超.俯沖狀態(tài)炮擊后座力對直升機姿態(tài)的影響［J］.飛行力學(xué)，1999（3）：27-31.

［2］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］張洪才.ANSYS14.0理論解析與工程應(yīng)用實例［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［4］何晶晶.壓桿彈塑性失穩(wěn)的ANSYS分析 ［J］.科苑雜談，2007（22）：48-49.

［5］李麗君，沈玉鳳.ANSYS對壓桿穩(wěn)定的輔助教學(xué)［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2009（2）：121-123.

［6］賀向東，張義民.薛玉春.等.壓桿穩(wěn)定可靠性優(yōu)化設(shè)計［J］.中國工程科學(xué)，2007（9）：33-35.

（編輯 丁 罡）

TH123+.1；TJ302

A

1000-4998（2015）02-0061-03

2014年7月