某藥倉結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力分析

趙君麟

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

某藥倉結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力分析

趙君麟

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：彈藥自動裝填技術(shù)是現(xiàn)代火炮技術(shù)的重要分支，彈藥分離的裝填方式是彈藥自動裝填系統(tǒng)技術(shù)所必然采取的方式。藥倉里面存儲了大量的藥塊，所以對自行火炮行軍以及發(fā)射過程中的藥倉的動態(tài)應(yīng)力分析是十分重要的，為藥倉的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了很重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：藥倉；動態(tài)應(yīng)力分析；路面譜

Dynamic Stress Analysis of Powder Cabin Structure

ZHAO Junlin

(School of Mechannical Engineering,Nanjing University of Science & technology,Nanjing 210094，China)

Abstract:Ammunition automatic loading technology is an important branch of modern artillery technology. The way that bullet and powder are loaded respectively is one adopted inevitably in the ammunition automatic loading system technology. A lot of powder block is stored in the powder cabin，so the dynamic stress analysis of the powder cabin during the march and the launch of the self-propelled artillery is very important. The very important data basis is provided for the structural optimization of the powder cabin.

Keywords:artillery; powder cabin; dynamic stress analysis; road surface spectrum

0引言

未來數(shù)字化火炮系統(tǒng)的發(fā)展，其核心技術(shù)和關(guān)鍵部件應(yīng)該有很大一部分是在自助裝填系統(tǒng)上。這種裝備自動裝填系統(tǒng)在當(dāng)今火炮發(fā)展研制過程中是一個很重要的方向。在未來的數(shù)字化、信息化的戰(zhàn)場環(huán)境下，火炮可作為迅猛的強(qiáng)有力的火力支援點(diǎn)。藥倉作為自動裝填系統(tǒng)的一個重要部件，其可靠性顯得尤為重要。文中以藥倉為研究對象，研究其在行軍和發(fā)射過程中的動態(tài)應(yīng)力。

1藥倉結(jié)構(gòu)的有限元建模

應(yīng)用Pro/E建立藥倉結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，對藥倉結(jié)構(gòu)件動態(tài)應(yīng)力分析主要考慮前后兩個支撐支架，可以簡化藥倉結(jié)構(gòu)。認(rèn)定藥筒是剛體，把藥筒作為壓力載荷，作用在前后兩個支撐支架相應(yīng)的位置上。壓力載荷是隨著藥倉的加速度變化而變化的。

圖1　藥倉的Pro/E模型

ANSYS的有限元模型建立和加載計(jì)算步驟如下：

1) 導(dǎo)入藥倉結(jié)構(gòu)模型文件，先將Pro/E藥倉結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出*.igs文件，在ANSYS中導(dǎo)入藥倉結(jié)構(gòu)模型，通過布爾運(yùn)算將各個零件變成一個零件。

2) 選擇網(wǎng)格單元和設(shè)定材料屬性，網(wǎng)格單元選擇20node點(diǎn)的實(shí)體單元，材料密度是7.8×10-6kg/mm3，材料的彈性模量是2.1×105MPa，材料的泊松比是0.3。

3) 自由劃分網(wǎng)格，選擇菜單MainMenu：Preprocessor/Meshing/MeshTool，在出現(xiàn)的對話框單擊Mesh按鈕，其余接受默認(rèn)設(shè)置，選擇藥倉結(jié)構(gòu)模型，劃分出自由網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2　藥倉的有限元網(wǎng)格

2行軍過程中藥倉結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力分析

在建立好藥倉的有限元模型之后，對該模型加載。模型加載主要分兩個部分，1) 藥筒對藥架支架的壓力載荷；2) 藥倉的位移擾動。

2.1載荷和擾動的加載

行軍過程中的加速度和位移載獲得的方法大致有3種，分別是實(shí)測法、數(shù)學(xué)建模法和虛擬樣機(jī)法。現(xiàn)使用數(shù)學(xué)建模的方法來求解所需的加速度和位移載荷。建立火炮系統(tǒng)的振動微分方程：.

[M][Y'']+[C][Y']+[K][Y]=[c][F']+[k][F]+[N]

(1)

通常直接把路面不平度作外部激勵輸入。但是在三維履帶車輛模型中，還要考慮履帶對地面不平度的濾波效應(yīng)。向量[F]=[0,[FL],[FR],0],便是經(jīng)濾波作用后的路面不平度激勵，其中[FL]、[FR]分別為兩側(cè)的路面不平度激勵。路面不平度可以看作是空間上連續(xù)函數(shù)，所謂履帶濾波效應(yīng)，就是以履板長度為間隔，將該連續(xù)函數(shù)離散化的過程。以Δt的采樣時(shí)間，對路面不平度進(jìn)行采樣，獲得采樣數(shù)據(jù){y1,y2,...yi}。然后，對yk、yk+1和yk+2三點(diǎn)進(jìn)行拉格朗日插值，得到y(tǒng)k和yk+1兩點(diǎn)之間的履帶板鏈節(jié)處的路面高程。最后，將各鏈節(jié)處的高程線性連接，便得到了履帶濾波后的路面不平度。

路面不平度通常根據(jù)路面譜來重構(gòu)，路面功率譜密度可以表示為：

(2)

(3)

其中，α為自協(xié)方差衰減系數(shù)，表示路面起伏的劇烈程度；σ為路面均方差；ω為路面空間頻率；利用三角級數(shù)疊加的方法，左右兩側(cè)路面可分別表示為：

(4)

(5)

(6)

(7)

其中：β是路面雙側(cè)路面互協(xié)方差衰減系數(shù)，B是雙側(cè)路面間距，ζ是路面的調(diào)和系數(shù)。

(8)

數(shù)值求解方程式(1)便可獲得自行火炮的振動響應(yīng)，但是F'的存在為求解過程造成了困難，可以通過狀態(tài)變化，將方程式(1)改寫為：

[Z']=[A][Z]+[B][R]

(9)

數(shù)值求解方程式(9)，便可獲得自行火炮的振動響應(yīng)。由于藥倉的是直接固連在車體上，應(yīng)選用C級路面譜，通過計(jì)算和繪制得到支架的位移、速度、加速度的曲線圖(圖3、圖4、圖5)。

圖3　支架的位移曲線

圖4　支架的速度曲線

圖5　支架的加速度曲線

位移擾動的加載時(shí)，通過擬合支架的位移曲線得到位移數(shù)值，直接加載在支架下端平面上。壓力載荷通過藥倉加速乘以質(zhì)量求得的數(shù)值，加載在藥筒與支架的接觸面上。

2.2藥倉的動態(tài)應(yīng)力分析

加載之后，通過計(jì)算可以觀察到圖6和圖7所示的等效應(yīng)力圖和節(jié)點(diǎn)位移圖，也可以觀察到最大應(yīng)力變化圖。它們分別如圖8、圖9所示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，藥倉支架的較大應(yīng)力主要分布于與藥筒接觸面的周邊。雖然這些應(yīng)力都不是很大。但如果自行火炮長期在起伏路面上行駛，由于藥筒周邊的支架連接的材料較少，長期受交變應(yīng)力的影響，它們可能受到疲勞破壞。從藥倉的節(jié)點(diǎn)位移圖可以發(fā)現(xiàn)，藥倉結(jié)構(gòu)就像一座橋梁一樣，它的主要變形集中在上面的梁體上，而藥倉結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以從加固梁體的剛度入手。

圖6　等效應(yīng)力圖

圖7　節(jié)點(diǎn)位移圖

圖8　藥倉最大節(jié)點(diǎn)位移曲線圖

圖9　藥倉最大應(yīng)力曲線圖

3發(fā)射過程中藥倉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

3.1載荷的加載

上文中選用的是數(shù)學(xué)建模的方法，對于發(fā)射時(shí)引起的加速度載荷，選用實(shí)測法，實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10　發(fā)射時(shí)藥倉的加速度

通過GetDataGraphDigitizer軟件在圖像曲線擬合出一些坐標(biāo)點(diǎn)。這樣就得到了所需要的各個時(shí)刻藥倉加速度數(shù)值。

3.2藥倉結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力分析

發(fā)射過程中的藥倉結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析與行軍過程的方法近似，依然是通過壓力載荷來替代藥筒對支架的作用。依然是通過加載位移擾動來模擬發(fā)射時(shí)的沖擊。通過分析計(jì)算，就可以得到如圖11、圖12所示的等效應(yīng)力圖和節(jié)點(diǎn)位移圖。

圖11　藥倉的節(jié)點(diǎn)位移圖

圖12　藥倉的應(yīng)力圖

由于受沖擊載荷的影響，藥架頂端所受影響較大，上端的節(jié)點(diǎn)位移較下端的要大一些。在發(fā)射的沖擊載荷下，不僅僅像行軍過程的應(yīng)力較大節(jié)點(diǎn)都分布在藥筒和支架的接觸面的周圍了。在低端的也出現(xiàn)了應(yīng)力較大點(diǎn)了，優(yōu)化結(jié)構(gòu)時(shí)要格外注意上端支架的外形設(shè)計(jì)。

4結(jié)語

文中就藥倉結(jié)構(gòu)在行軍和發(fā)射過程中受力情況，進(jìn)行應(yīng)力分析。先對模型進(jìn)行簡化處理，通過壓力載荷來替代藥筒的存在。通過添加位移擾動來模擬藥架在行軍和發(fā)射過程中的邊界條件。分析出藥倉主要的應(yīng)力和變形集中點(diǎn)的位置，為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

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[5] 商躍進(jìn). 有限元原理與ANSYS應(yīng)用指南[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.6.

收稿日期：2014-01-02

中圖分類號：TH123+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0102-03

作者簡介：趙君麟(1985-)，男，安徽六安人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。