某彈協(xié)調(diào)臂剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真

陳　俊,陳龍淼

(南京理工大學(xué)，南京　210094)

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某彈協(xié)調(diào)臂剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真

陳俊,陳龍淼

(南京理工大學(xué)，南京210094)

摘要：為了評估某火炮自動裝填系統(tǒng)中彈協(xié)調(diào)臂的性能，在分析某彈協(xié)調(diào)臂的工作原理的基礎(chǔ)上，利用ProE建立了彈協(xié)調(diào)臂的三維模型，并在ANSYS中對模型中的彈協(xié)調(diào)臂本體部分完成網(wǎng)格劃分和剛性區(qū)域的建立，生成彈協(xié)調(diào)臂本體部分的柔性體模態(tài)文件，在ADAMS中對柔性體施加轉(zhuǎn)動約束以及液壓缸驅(qū)動，對彈協(xié)調(diào)臂進(jìn)行了剛?cè)狁詈戏抡妫玫綇梾f(xié)調(diào)臂在擺動過程中的動力學(xué)特性以及動態(tài)的應(yīng)力分布，給出了不滿足強(qiáng)度要求的應(yīng)力集中區(qū)域，為設(shè)計(jì)驗(yàn)證和后期改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：動力學(xué)仿真；剛?cè)狁詈希蝗嵝泽w；彈協(xié)調(diào)臂

現(xiàn)代自行火炮全自動裝填技術(shù)大大提高了大口徑火炮武器的射速，進(jìn)而使得火炮武器的威力得到大幅度提升[1]。彈協(xié)調(diào)臂作為自動火炮實(shí)現(xiàn)自動裝填的重要組成部分之一，在每兩次擊發(fā)過程中要分別完成一次接彈和一次協(xié)調(diào)共兩次繞耳軸的轉(zhuǎn)動動作。在運(yùn)動過程中，彈協(xié)調(diào)臂受到的作用力大小和方向不斷變化，通常對于彈協(xié)調(diào)臂本體的分析是根據(jù)靜載荷做靜力計(jì)算，然后將安全系數(shù)計(jì)入結(jié)果作為構(gòu)建的實(shí)際應(yīng)力或變形來判斷是否滿足強(qiáng)度或剛度要求，但這樣做與實(shí)際工況相差較大。通過運(yùn)用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS 和有限元軟件ANSYS對彈協(xié)調(diào)臂進(jìn)行剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕ⅲ贏DAMS中并對其進(jìn)行動力學(xué)仿真[2-3]，再將分析結(jié)果導(dǎo)入到ANSYS中得到彈協(xié)調(diào)臂動態(tài)的應(yīng)力分布及時(shí)變的節(jié)點(diǎn)力，找出在運(yùn)動過程中最大的應(yīng)力值，并以此為依據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度校核，為設(shè)計(jì)驗(yàn)證及設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)和參考。

1結(jié)構(gòu)及工作原理

該彈協(xié)調(diào)臂主要由彈協(xié)調(diào)臂本體、驅(qū)動油缸、抱爪及解鎖自鎖裝置組成，由于本研究的主要分析目標(biāo)是彈協(xié)調(diào)臂在完成協(xié)調(diào)動作過程中的動力學(xué)特性，因此在不影響彈協(xié)調(diào)臂整體受力的基礎(chǔ)上，忽略解鎖自鎖機(jī)構(gòu)以達(dá)到簡化模型的目的，簡化后的彈協(xié)調(diào)臂基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　彈協(xié)調(diào)臂機(jī)構(gòu)組成示意圖

由于根據(jù)自動裝填系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及工作空間的布置，協(xié)調(diào)器有很多種結(jié)構(gòu)形式。彈協(xié)調(diào)臂本體的形狀如圖2所示。

圖2　彈協(xié)調(diào)臂在兩個(gè)不同維度上的彎曲情況

該彈協(xié)調(diào)臂本體被設(shè)計(jì)成不規(guī)則曲臂的形式，是為了保證輸彈機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的輸彈行程。同時(shí)，在完成協(xié)調(diào)動作時(shí)避免彈協(xié)調(diào)臂與其他部件在運(yùn)動過程中發(fā)生干涉。由于彈協(xié)調(diào)臂在兩個(gè)維度上都存在彎曲，而且彈協(xié)調(diào)臂是由方鋼焊接而成，內(nèi)部存在中空結(jié)構(gòu)，截面復(fù)雜。因此，在分析彈協(xié)調(diào)臂結(jié)構(gòu)可靠性的時(shí)候，給動力學(xué)分析造成了較大的困難，無法通過傳統(tǒng)的靜力學(xué)和動力學(xué)分析得到彈協(xié)調(diào)臂準(zhǔn)確的受力狀況，也就無法準(zhǔn)確地預(yù)測彈協(xié)調(diào)臂的薄弱部分。

該彈協(xié)調(diào)臂的工作原理是：彈協(xié)調(diào)臂在協(xié)調(diào)油缸的驅(qū)動下繞耳軸轉(zhuǎn)動到達(dá)取彈位置，從機(jī)械手接受彈丸之后，再在協(xié)調(diào)油缸的驅(qū)動下協(xié)調(diào)彈丸到輸彈位置，即彈丸軸線與身管軸線平行的位置，以實(shí)現(xiàn)任意射角下的彈藥裝填。將彈丸輸送到輸彈機(jī)后，彈協(xié)調(diào)臂再次回到取彈位置，進(jìn)行下一次的取彈及協(xié)調(diào)動作。

2彈協(xié)調(diào)臂運(yùn)動學(xué)分析

在對協(xié)調(diào)器進(jìn)行動力學(xué)仿真之前，有必要先對其進(jìn)行簡單的受力分析，以便確定一些關(guān)鍵的仿真參數(shù)，如油缸支點(diǎn)的位置以及根據(jù)上述的彈協(xié)調(diào)臂運(yùn)動角速度曲線推導(dǎo)出不同階段的油缸輸出力大小等。

彈協(xié)調(diào)器帶彈丸運(yùn)動時(shí)：質(zhì)量m=40 kg，轉(zhuǎn)動慣量J=36 kg·m2，彈協(xié)調(diào)臂最大工作轉(zhuǎn)角θ=93°，重力加速度g=9.8 m/s2，系統(tǒng)工作時(shí)間t=0.7 s，彈協(xié)調(diào)臂運(yùn)動的角速度-時(shí)間曲線如圖3所示。

圖3　彈協(xié)調(diào)臂運(yùn)動時(shí)的ω-t曲線

由圖3可知，彈協(xié)調(diào)臂在轉(zhuǎn)動過程中分為3個(gè)階段，分別是加速段、勻速段以及減速段。

彈協(xié)調(diào)臂在轉(zhuǎn)動過程中受到的主要力有重力、向心力以及協(xié)調(diào)油缸的作用力。在彈協(xié)調(diào)臂轉(zhuǎn)動到不同位置的時(shí)候，彈協(xié)調(diào)臂受到的力的大小和方向也不盡相同，彈協(xié)調(diào)臂旋轉(zhuǎn)至任意位置φ時(shí)的受力簡圖[4]如圖4所示。

圖4　彈協(xié)調(diào)臂的受力簡圖

以彈協(xié)調(diào)臂與水平面夾角φ為自變量，則其中各個(gè)參數(shù)量都可以表示為φ的函數(shù)。在以耳軸、油缸支點(diǎn)以及彈協(xié)調(diào)臂與油缸作用點(diǎn)3個(gè)作用點(diǎn)構(gòu)成的三角形中，由余弦定理可以計(jì)算得到任意位置的協(xié)調(diào)油缸長度c以及油缸與彈協(xié)調(diào)臂的夾角θ：

(1)

(2)

設(shè)彈協(xié)調(diào)臂運(yùn)動過程中的角加速度為αi，其中(i=1,2,3)分別代表加速、勻速和減速段的角加速度，根據(jù)牛頓第二定律的轉(zhuǎn)動形式，則有：

(3)

(4)

根據(jù)圖2中所示的彈協(xié)調(diào)臂運(yùn)動時(shí)的ω-t關(guān)系，可以得到彈協(xié)調(diào)臂與水平面的夾角φ關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)：

(5)

通過式(5)的聯(lián)立進(jìn)而可以求得在彈協(xié)調(diào)臂運(yùn)動過程中所需的液壓缸的驅(qū)動力F關(guān)于時(shí)間t的曲線，F(xiàn)將作為后續(xù)在ADAMS中進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡鏁r(shí)的驅(qū)動油缸的輸入條件。

3剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

3.1彈協(xié)調(diào)臂柔性體及剛性域的建立

通過ADAMS軟件進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)分析時(shí)，對于這種實(shí)際工程的分析，由于零部件的復(fù)雜性，柔性體模型的建立往往是通過使用有限元軟件如ANSYS、Hyperworks等生成零部件柔性體模態(tài)文件，再將其導(dǎo)入到ADAMS中施加相應(yīng)的約束和載荷進(jìn)行動力學(xué)仿真。

在ANSYS中對彈協(xié)調(diào)臂本體的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，由于彈協(xié)調(diào)臂本體的形狀和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)，因此分別采用四面體單元和六面體單元對彈協(xié)調(diào)臂本體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，以便通過對比分析選擇最接近真實(shí)情況的仿真的結(jié)果。對于鉸接點(diǎn)的劃分采用MASS21質(zhì)量點(diǎn)單元[5]。完成網(wǎng)格劃分之后，需要在彈協(xié)調(diào)臂與其他構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的部分建立剛性區(qū)域，剛性區(qū)域定義了各鉸接點(diǎn)與相關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的力與位移關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)在ADAMS剛?cè)狁詈戏抡嬷械倪\(yùn)動與力的傳遞，傳遞函數(shù)如下：

(6)

(7)

式中：Ui為剛性節(jié)點(diǎn)的總位移；Uij為j節(jié)點(diǎn)在i方向的位移；kj為j節(jié)點(diǎn)對Ui的影響因數(shù)，該因數(shù)與剛性節(jié)點(diǎn)與周圍節(jié)點(diǎn)的位置相關(guān)；Fi為剛性區(qū)域在i方向上的受力；lj為j節(jié)點(diǎn)對剛性節(jié)點(diǎn)受力的影響因數(shù)，該因數(shù)與剛性節(jié)點(diǎn)與周圍節(jié)點(diǎn)的位置相關(guān)；i代表不同的坐標(biāo)方向；j為與剛性節(jié)點(diǎn)相連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)[6]。其中，系數(shù)kj與系數(shù)lj是由構(gòu)件的模態(tài)決定的，由于構(gòu)件的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位移和實(shí)際受力是模態(tài)的按照一定比例的線性疊加，這種比例關(guān)系就是通過以上兩個(gè)系數(shù)來描述，系數(shù)越大，對應(yīng)的模態(tài)對構(gòu)件總位移或受力的貢獻(xiàn)量就越多。因此，在剛性區(qū)域建立好之后，通過ANSYS計(jì)算得到構(gòu)件的模態(tài)中性文件，即得到運(yùn)動與力的傳遞函數(shù)。

對于彈協(xié)調(diào)臂本體剛性區(qū)域的建立，要綜合考慮彈協(xié)調(diào)臂的約束關(guān)系及受力，這些剛性區(qū)域包括彈協(xié)調(diào)臂與耳軸的鉸接處、彈協(xié)調(diào)臂與液壓缸的鉸接處以及彈協(xié)調(diào)臂與抱爪的兩個(gè)鉸接處，在ANSYS中建立好的柔性體模型如圖5所示。

圖5　彈協(xié)調(diào)臂本體的柔性體及剛性區(qū)域模型

圖5中左上角的兩個(gè)剛性區(qū)域?yàn)閺梾f(xié)調(diào)臂與抱爪的兩個(gè)鉸接位置，右下角的兩個(gè)剛性區(qū)域分別是彈協(xié)調(diào)臂與液壓缸的鉸接點(diǎn)以及彈協(xié)調(diào)臂與耳軸的鉸接點(diǎn)。

柔性體[7]模型建立好后，導(dǎo)出彈協(xié)調(diào)臂本體的模態(tài)中性文件。在從ANSYS導(dǎo)出模態(tài)中性文件時(shí)為了保證ANSYS內(nèi)部的單位制封閉，因此可能有某些單位與ADAMS的單位制不統(tǒng)一，不統(tǒng)一的單位在導(dǎo)出時(shí)應(yīng)通過自定義轉(zhuǎn)換系數(shù)的方法進(jìn)行換算以保證正確的數(shù)據(jù)交換。自定義的單位設(shè)置與ANSYS的SI國際單位制的關(guān)系如表1所示。

表1　自定義單位制與SI國際單位制對比

3.2剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

在ProE中先建立彈協(xié)調(diào)臂仿真系統(tǒng)的裝配模型，包括抱爪、模擬彈丸以及驅(qū)動油缸，選取接彈位置為初始位置，將裝配體模型導(dǎo)入到ADAMS中[8]。在ADAMS中通過RIGID TO FLEX功能導(dǎo)入彈協(xié)調(diào)臂本體的中性模態(tài)文件替換裝配體中的彈協(xié)調(diào)臂本體的剛性體模型，同時(shí)，為了簡化分析，用BOOLEAN命令將抱爪與彈丸合并為一個(gè)整體零件處理。

在仿真之前，需要對模型施加約束和載荷，在彈協(xié)調(diào)臂的耳軸以及液壓缸缸筒的支點(diǎn)處建立與地面之間的轉(zhuǎn)動副連接，在彈協(xié)調(diào)臂的支點(diǎn)以及液壓缸活塞桿之間建立轉(zhuǎn)動副連接。同時(shí)，為了真實(shí)地反映彈協(xié)調(diào)臂在運(yùn)動過程中的受力狀況，在彈協(xié)調(diào)臂與抱爪以及彈丸整體的連接處通過建立兩個(gè)轉(zhuǎn)動副將它們連接起來。最后，在液壓缸缸筒與液壓缸活塞之間建立一個(gè)移動副連接并在此移動副上建立一個(gè)直線運(yùn)動驅(qū)動以模擬液壓缸的運(yùn)動，該驅(qū)動的運(yùn)動方程可由式(1)和式(5)聯(lián)立推導(dǎo)得到。建立好的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D6所示。

圖6　彈協(xié)調(diào)臂的剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?/p>

4動力學(xué)仿真分析

在ADAMS中設(shè)置仿真時(shí)間及仿真歩數(shù)并進(jìn)行仿真計(jì)算，求解結(jié)束后得到剛?cè)狁詈夏Ｐ椭袆傂詤^(qū)域連接點(diǎn)上的動態(tài)載荷。對液壓缸活塞桿支點(diǎn)處的剛性節(jié)點(diǎn)所受的外力進(jìn)行分析，對比分析剛體動力學(xué)的仿真結(jié)果和采用四面體、六面體網(wǎng)格的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真結(jié)果。

圖7中的3條曲線分別顯示了剛體、四面體網(wǎng)格以及六面體網(wǎng)格剛?cè)狁詈戏抡孢^程中，液壓缸活塞桿與彈協(xié)調(diào)臂支點(diǎn)處的剛性節(jié)點(diǎn)所受的約束反力隨時(shí)間的變化情況。從其中可以看出在剛體仿真中，約束反力隨著液壓缸的驅(qū)動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變在0.1 s和0.6 s以及0.7 s 3個(gè)時(shí)刻存在明顯的階躍變化。當(dāng)將彈協(xié)調(diào)臂作為柔性體考慮的時(shí)候，約束反力產(chǎn)生振動，在驅(qū)動狀況變化時(shí)有較為明顯的過渡，符合柔性體的動力學(xué)特性。同時(shí)，從其中可以看出六面體網(wǎng)格較四面體網(wǎng)格的振幅和頻率都較小，約束反力的均值更接近剛體仿真時(shí)的大小，且方差較小。由于ANSYS計(jì)算應(yīng)力分布時(shí)是以這些剛性節(jié)點(diǎn)的受力狀況為輸入條件的，因此，在后續(xù)的仿真過程中采用六面體網(wǎng)格的剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行分析，以得到較為真實(shí)的仿真結(jié)果。

圖7　3種模型下彈協(xié)調(diào)臂仿真的支點(diǎn)力

通過使用ADAMS的EXPORT命令將結(jié)果文件導(dǎo)出。在ANSYS中導(dǎo)入ADAMS輸出的LOD文件，在后處理中即可查看彈協(xié)調(diào)臂某一時(shí)刻的應(yīng)力以及應(yīng)變云圖。通過云圖可以發(fā)現(xiàn)彈協(xié)調(diào)臂在加速和減速段存在應(yīng)力集中，加速度段和減速段的應(yīng)力云圖如圖8、圖9所示。

圖8　彈協(xié)調(diào)臂加速段最大應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)刻的應(yīng)力分布

圖9　彈協(xié)調(diào)臂減速段最大應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)刻的應(yīng)力分布

通過對應(yīng)力應(yīng)變云圖的觀察可以發(fā)現(xiàn)在彈協(xié)調(diào)臂上，由于動態(tài)載荷[9]的作用，在不同的運(yùn)動階段的應(yīng)力分布有很大的差異。在加速段，彈協(xié)調(diào)臂下側(cè)根部由于受拉，在局部產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中；在減速段，由于彈協(xié)調(diào)臂上側(cè)受拉，在局部也產(chǎn)生了非常明顯的應(yīng)力集中。然而不論是在加速段還是減速段，應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力值達(dá)到750 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈協(xié)調(diào)臂材料的許用應(yīng)力。然而，在彈協(xié)調(diào)臂其他部位，應(yīng)力值都在200 MPa以下，處于材料許用應(yīng)力的安全范圍之內(nèi)[10]。可以從控制和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，從結(jié)構(gòu)方面只需要針對兩處應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷囊蕴嵘龔?qiáng)度，即可得到整體滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的彈協(xié)調(diào)臂本體；從控制方面，在保證0.7 s的總工作時(shí)間的要求下，增加加速段和減速段的時(shí)間，也可以大幅減少彈協(xié)調(diào)臂整體的應(yīng)力大小，將最大應(yīng)力控制在許用應(yīng)力的范圍之內(nèi)。

5結(jié)束語

通過聯(lián)合多體動力學(xué)軟件ADAMS與有限元軟件ANSYS，對某彈協(xié)調(diào)臂本體進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真分析，得到了彈協(xié)調(diào)臂本體在動載荷作用下的受力情況，確定了在彈協(xié)調(diào)臂運(yùn)動過程中加速段和減速段產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，經(jīng)強(qiáng)度校核發(fā)現(xiàn)只有應(yīng)力集中區(qū)域不符合強(qiáng)度要求，需要進(jìn)行針對性的修改。同時(shí)，本研究也對機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈戏治龅幕玖鞒踢M(jìn)行了較為詳盡的說明，給出了從ANSYS導(dǎo)出模態(tài)中性文件時(shí)的單位制轉(zhuǎn)換系數(shù)。通過對比分析不同網(wǎng)格的剛?cè)狁詈夏Ｐ偷膭恿W(xué)仿真結(jié)果，得到了六面體網(wǎng)格較四面體網(wǎng)格的優(yōu)勢。通過利用剛?cè)狁詈系募夹g(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)在動態(tài)力作用下的應(yīng)力分布分析，得到了靜態(tài)分析時(shí)沒有考慮到的應(yīng)力集中區(qū)域，為彈協(xié)調(diào)臂的設(shè)計(jì)驗(yàn)證及修改提供了依據(jù)。

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(責(zé)任編輯唐定國)

本文引用格式：陳俊,陳龍淼.某彈協(xié)調(diào)臂剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(4):56-60.

Citation format:CHEN Jun, CHEN Long-miao.Rigid-Flex Coupling Dynamics Simulation and Analysis of a Missle Coordinating Arm[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):56-60.

Rigid-Flex Coupling Dynamics Simulation and Analysis of a Missle Coordinating Arm

CHEN Jun, CHEN Long-miao

(Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order to assess the performance of a missle coordinating arm, it established the 3D model of the coordinator with ProE software on the basis of analyzing the working principle of a missile coordination arm, and established the rigid region and complete model meshing in the ANSYS software and got the flexible body file, and rotational constraints were imposed on the flexible body and the hydraulic cylinder drive in ADAMS, and the missle coordination arm was processed coupled simulation, and we obtained the dynamic characteristics and dynamic stress distribution of the missle coordinating arm and got the stress concentration area of which stress can not meet the strength requirements. It provides a theoretical basis for design verification and improvement later after.

Key words：dynamic simulation; rigid-flex coupling; flexible body; missle coordinating arm

文章編號：1006-0707(2016)04-0056-05

中圖分類號：TJ3；TP3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.015

作者簡介：陳俊(1990—)，男，碩士研究生，主要從事火炮自動裝填系統(tǒng)可靠性研究；陳龍淼(1979—)，男，副教授，主要從事火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動裝填系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

收稿日期：2015-10-19；修回日期：2015-11-20

【機(jī)械制造與檢測技術(shù)】