火箭炮定向器模態有限元分析

謝春雨，劉 璐，龔華雄，嚴蜀宇

（中國人民解放軍78618部隊，四川 成都 610100）

0 引言

第二次世界大戰過后，隨著科學技術的不斷進步，多管火箭炮得到了迅速的發展。初步統計，世界上約有30多個國家都在生產火箭炮，火箭炮的型號有60多個，火箭炮的口徑在Φ51mm～Φ400mm，定向器的管數在2管～75管，最大射程在6.5km～70km。火箭炮定向器的結構有管式定向器、籠式定向器、滑軌式定向器和貯箱式定向器，其發展遵循的技術要求包括性能、使用、安全、運輸、存放、維修和經濟等，要求能夠在各種場地、各種天氣條件下完成火箭的發射任務，確保安全和可靠，其結構簡單易于組裝，操作簡單快捷，便于火箭的安裝、監測和發射，盡可能做到機械化和自動化。定向器在運輸或是在火箭彈發射時都要受到外力的作用，當作用力小于箱體和彈藥的安全限度時，不會造成箱體和火箭彈可靠性狀態的明顯改變；而當運輸環境力較大時，就可能導致箱體強度不夠，發生彎曲，定向器的直線度下降，使火箭彈的發射精度大大降低，同時在運輸過程或是在發射時受到機械振動可能會發生共振，對火箭炮定向器進行模態分析就是要使定向器結構在特定的環境下滿足其使用要求。

1 定向器模態理論分析

常規模態分析有兩種方式：試驗模態分析和計算模態分析。試驗模態分析是通過試驗采集的方法對定向器的輸入和輸出信號辨識后得到其模態參數，考慮到定向器長達幾米，質量重，試驗的方法難度較大，因此本文使用計算模態分析的方式對定向器進行分析，其模態結果由有限元軟件中的ANSYS計算得到。

本文對定向器的模態進行分析時，將其近似為線性系統，根據達朗貝爾原理，其系統的理論模態可表示為：

其中：［M］，［C］，［K］分別為系統的總體質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；｛X｝，｛｝，｛｝分別為節點的位移向量、速度向量和加速度向量；｛F（t）｝分別為節點的動載荷向量。將阻尼項去掉，這時無阻尼自由振動的方程為：

裝載在定向器中的火箭彈可以簡化為一彈性梁，由定向器中的導槽通過火箭彈定心部提供位移約束，且在發射過程中約束發生了變化，如果將定向器軸向方向的變形忽略不計，只考慮橫向彎曲變形，則定向器的位移u（x，t）可用模態函數線性組合近似表示為：

其中：Φj為定向器的模態振型；qj表示廣義坐標，qj1和qj2分別為兩個正交方向的分量。

2 定向器有限元模態分析

2.1 定向器有限元模型

本文以某型號的火箭炮定向器為研究對象，首先利用三維軟件UG對其進行建模，再將UG建立的模型導入到ANSYS中對定向器的模型進行前處理。在UG中建立的火箭炮定向器簡化模型如圖1所示，將UG三維模型數據導入ANSYS后生成的幾何模型如圖2所示。

2.2 定向器自由模態分析

對定向器進行自由模態分析有助于在對其進行設計時了解其自身結構的一些固有特性。為模擬定向器的自由狀態，一般做法是將其整體懸掛起來，使整個定向器結構與地面分離開。本文利用有限元軟件ANSYS對定向器進行模態分析時，自由模態的計算是不施加任何位移約束的。對于自由模態的計算，前6階模態均為剛體模態，所以定向器自由模態的前6階模態固有頻率為零或接近于零。圖3為定向器自由模態下的一階振型云圖。

圖1 火箭炮定向器簡化模型

圖2 火箭炮定向器在ANSYS中的幾何模型

圖3 定向器自由模態下一階振型云圖

2.3 定向器約束模態分析

對定向器進行約束模態分析是為了反映定向器的實際約束情況。本文分析時將定向器兩邊用縱向夾板固定住，所以約束就施加在夾板固定住的兩邊位置。定向器約束模態下的一階振型云圖如圖4所示。

通過自由模態與約束模態的分析可以看出，自由模態下的一階固有頻率為110.417MHz，而約束模態下的一階固有頻率值為83.829 8MHz，約束模態下的固有頻率較自由模態下的固有頻率值要小。

3 總結

本文利用有限元軟件ANSYS對火箭炮定向器進行了自由模態和約束模態的仿真分析，自由模態下的仿真結果可為定向器的初期研制和改進提供理論參考，約束模態下的仿真結果可為定向器的實際工作狀態提供參考，避免定向器在工作狀態時發生共振。

圖4 定向器約束模態下一階振型云圖

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