某輕型火炮高平機模態(tài)分析

王東旭，劉樹華

（中北大學 武器裝備技術學院，山西 太原 030051）

0 引言

高低機和平衡機是火炮的重要組成構件，為了提高戰(zhàn)場生存能力，某輕型牽引火炮設計時在對現(xiàn)有高低機和平衡機研究的基礎上，采用了一種集高低機和平衡機功能于一體的液體氣壓式高平機結構，當火炮被賦予一定的射角后，該裝置起平衡機的作用，當打動手輪改變火炮射角時，該裝置起高低機和平衡機的復合作用。和獨立的高低機和平衡機相比，它具有結構簡單、質量輕及易操作等特點［1］。

振動現(xiàn)象是機械結構經(jīng)常遇到的問題之一，由于振動會造成結構的共振或疲勞從而破壞結構，因此了解結構本身具有的剛度特性即結構的固有頻率和振型，可避免在使用中因共振造成的不必要損失［2］。模態(tài)分析是高平機研發(fā)過程中結構分析的重要內(nèi)容，通過模態(tài)分析掌握高平機結構振動的關鍵指標，特別是低階彈性模態(tài)等數(shù)據(jù)，是完成后續(xù)結構動力學設計、振動特性優(yōu)化和故障診斷等的基礎和依據(jù)［3］。

ANSYS Workbench是目前CAE的主流分析軟件之一，它融結構、熱、聲、電磁、流體等分析為一體，并且擁有豐富的材料與單元庫，用戶可根據(jù)具體情況合理地選取單元類型及材料特性，高效地完成各種復雜的工程問題求解。本文利用ANSYS Workbench完成對某輕型牽引火炮高平機的模態(tài)分析。

1 高平機物理模型的建立

1.1 高平機結構及幾何模型處理

液體氣壓式高平機由上球軸、內(nèi)筒、活塞桿、內(nèi)筒壓蓋、外筒、外筒緊塞塊、外筒壓蓋、下球軸、圓螺母、密封裝置等組成，其結構如圖1所示，其中高平機為火炮最低射角狀態(tài)［4］。

本文用SolidWorks建立某輕型火炮高平機的三維幾何模型，在保留主要結構的基礎上對模型中的非重要結構進行了適當刪除和簡化，利用幾何模型數(shù)據(jù)接口導入ANSYS Workbench 14.5中進行離散，網(wǎng)格的單元類型為4節(jié)點線性4面體單元（C3D4），控制單元尺寸為5mm，這樣劃分后的模型共有326 680個節(jié)點，200 581個單元。最后得到的模型結構和實際基本一致，故計算正確性和經(jīng)濟性可以得到保證［5］。圖2為劃分網(wǎng)格后的高平機有限元模型。

圖1 液體氣壓式高平機結構原理示意圖

圖2 劃分網(wǎng)格的高平機有限元模型

1.2 材料參數(shù)

高平機材料采用45鋼，屈服極限σs＝340MPa，密度ρ＝7.85×103kg/m3，彈性模量E＝211GPa，泊松比為0.3。

1.3 接觸與約束

邊界條件的設置直接影響整個機構的振型和固有頻率，定義活塞桿與外筒間接觸類型為綁定，活塞桿與內(nèi)筒、內(nèi)筒與外筒之間接觸類型為無摩擦，定義下球軸端面固定約束，上球軸x方向為自由無約束。

2 求解分析

本文選用ANSYS軟件提供的Block Lanczos（分塊蘭索斯）法提取了該高平機的前6階模態(tài)并進行了模態(tài)擴展［6］，表1給出了高平機有限元模態(tài)分析得到的前6階模態(tài)固有頻率，圖3～圖8給出了前6階的模態(tài)振型。

表1 高平機的固有頻率

從圖3～圖8中可以看出，1階模態(tài)是頻率為88.995Hz的XZ平面彎曲，2 階 模 態(tài) 是 頻 率 為95.691Hz的XY平面彎曲，3 階 模 態(tài) 是 頻 率 為109.64Hz的繞X軸扭轉，4階模態(tài)是頻率為271.76 Hz的XZ平面2階彎曲，5階模態(tài)是頻率為394.94 Hz的XY平面2階彎曲，6階模態(tài)是頻率為502.75 Hz的2階扭轉。

圖3 高平機的1階振型

圖4 高平機的2階振型

3 結論

高平機受到的外部激振因素可概括為兩類：一是機動時路面的隨機激振，頻率一般小于10Hz；二是火炮射擊時造成的激振，某輕型火炮射擊頻率在20發(fā)/min以下。高平機的低階扭轉和彎曲模態(tài)分別為88.995Hz和95.691Hz，遠離了路面的激勵頻率和射擊頻率的發(fā)生范圍，從而能夠有效地避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，因此，高平機滿足動態(tài)特性的條件，符合高平機設計的要求。

圖5 高平機的3階振型

圖6 高平機的4階振型

圖7 高平機的5階振型

圖8 高平機的6階振型

［1］張訓國，顧克秋.輕型牽引火炮高平機結構設計及有限元分析［J］.機械制造，2012，41（2）：17－19.

［2］陳運生.液體氣壓式高低平衡機運動計算和結構分析［J］.南京理工大學學報，1994（2）：43－49.

［3］張相炎.火炮設計理論［M］.北京：北京理工大學出版社，2005.

［4］浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例分析［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［5］吳迎春.液體氣壓式高平機的研究與仿真分析［D］.南京：南京理工大學，2006：32－52.

［6］王宇，劉凱，林永龍.ANSYS軟件在結構模態(tài)分析中的應用［J］.機電工程技術，2013，42（9）：38－40.