ANSYS精細 簡化建模下彈體動態特性比較

摘 要：對彈體動態特性分析時，理論計算是將彈體進行質點等效后作為梁結構簡化，但所得結果精度比較低。實際現場試驗時通常采用試驗敲擊彈體產生激勵的有限元模態分析，但一定要有實體彈體結構才能開展測試動態特性，本文針對飛行速度、長徑比都在不斷增加的彈體在進行ANSYS動態特性仿真分析時采用的建模方式提出比較優化，倡導在進行復雜彈體結構建模時采用合理簡化，用殼體的假密度、等效質量模擬復雜的除彈體外的復雜結構，使復雜彈體結構模型的極大簡化和所耗求解時間大大降低，同時又能使求解精度足夠。

關鍵詞：精細建模；簡化建模；動態特性

在當代武器系統研發過程中，大威力、遠射程逐漸成為各個國家軍隊的強烈需求指標，新型武器彈體的飛行馬赫數、彈體長度與直徑之比等指標都比以往有較高增幅。而這些指標對當今武器系統的彈體設計的影響不可忽視，特別是整彈結構在主被動端動態特性對彈體飛行中的內外彈道性能干擾較大，因此就有必要對這些指標影響的動態特性進行分析研究。當前比較常用的是采用有限元法進行模態分析，常用的模態分析軟件有Ansys和Workbench。對彈體動態特性分析時，理論計算是將彈體進行質點等效后作為梁結構簡化，但所得結果精度比較低。實際現場試驗時通常采用試驗敲擊彈體產生激勵的有限元模態分析，但一定要有實體彈體結構才能開展測試動態特性。

本文通過采用ANSYS有限元分析軟件對彈體進行模態仿真數值求解其動態特性，進行彈體的精細建模和簡化建模，通過兩種建模條件下彈體動態特性的比較，探索效率更高而又不使有限元模態數值仿真精度下降的建模方式。

1 ANSYS模態分析原理

2 對彈體ANSYS建模

ANSYS中單位采用：毫米（mm），千克（kg），毫秒（ms），GPa。

進行彈體有翼、內部零部件、不同質量密度等復雜結構的精細建模，需要考慮實際結構和材料的彈性模量和泊松比。精細建模后整體網格劃分如圖1所示。

進行彈體簡化（將上述翼等復雜結構的質量等效到彈體的各段回轉體零件質量上）建模，對彈體進行質量等效，由彈體各零部件及外部回轉彈體殼體結構尺寸進行實體建模求得其理論體積，根據整個彈體等效質量計算理論等效密度，即所謂的假密度。彈體各部份材料彈性模量均假設為鋼的彈性模量：E=210（GPa），泊松比均為：μ=0.3，等效密度取其等效質量與體積所得出的理論值，簡化建模后整體網格劃分如圖2所示。

3 模態仿真數值求解及結果

在ANSYS進行相關模態仿真設置，求解主被動段上述兩種模型的動態特性。如圖3所示為精細建模彈體在主動段的四階彎曲振型，求解時間較長，各階振型中含彈體結構靜止狀態下的比照（被動段該四階振型類似不再贅述，簡化建模同此；被動段彈體ANSYS有限元模型中燃燒室密度變為變小，其余設置、網格劃分、求解規模等同主動段彈體ANSYS模型。）；如圖4所示為簡化建模彈體在主動段的四階彎曲振型，求解時間較短。兩種模型求解結果統計如下表所示。

4 結語

通過上述有限元數值仿真計算結果，比較精細建模彈體固有頻率和簡化建模彈主動段、被動段動態性的固有頻率，可以發現帶翼等復雜結構的精細建模彈體結構固有頻率和振型與簡化建模彈體的模態結果差別不大。在建模過程中，由于彈體結構非常復雜，所以將組成整彈的復雜系統結構全部建模就顯得沒有必要。在彈體結構進行ANSYS求解模態即固有頻率與振型時，則整彈結構建模的簡化要趨于適宜的求解規模，否則求解困難，且求解時間冗長。簡化建模的關鍵在于將除彈體外的復雜系統結構用回轉彈體的等效密度替代。這使復雜彈體結構模型的極大簡化和所耗求解時間大大降低，同時又能使求解精度足夠，這為后續其他有限元仿真計算提供高效率及足夠精確求解的彈體簡化建模提供參考。

參考文獻：

[1]祝效華，余志祥，等.ANSYS高級工程有限元分析范例精選[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2]王力，曹紅松，等.柔性薄膜充氣翼動態特性仿真分析[J].機電技術，2015，4：62-64.

作者簡介：王力（1985-），男，碩士，助教，研究方向：機械設計與材料檢測。