申培剛，戴勁松，王茂森

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

0 引言

扣機(jī)是火炮自動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組成部件，它主要用來控制自動(dòng)機(jī)射擊的啟停。本文采用的是機(jī)械式扣機(jī)方案，其通常安裝在炮箱下部有限的空間內(nèi)。由于火炮發(fā)射機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜［1］，零部件受力條件惡劣，設(shè)計(jì)扣機(jī)本體結(jié)構(gòu)時(shí)必須準(zhǔn)確地計(jì)算和評估推彈滑座與阻鐵碰撞后的沖擊力。研究推彈滑座與阻鐵在不同傾角下的動(dòng)力學(xué)問題，在提高零部件剛強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)的可靠性方面提供了依據(jù)，同時(shí)據(jù)各零部件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的唯一性，對其大致外廓尺寸設(shè)計(jì)也有一定的參考。通過虛擬樣機(jī)對推彈滑座與阻鐵在不同角度下的碰撞性能進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化分析出了最佳角度下的模型結(jié)構(gòu)，對火炮自動(dòng)機(jī)的作戰(zhàn)性能及可靠性方面提供了一定的參考。

1 動(dòng)力學(xué)建模

1.1 基本假設(shè)及模型簡化

據(jù)扣機(jī)機(jī)構(gòu)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過程作如下假設(shè)及簡化:

1）忽略該機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的建模，但以相應(yīng)的力作用于該機(jī)構(gòu)的機(jī)械部件;

2）忽略對仿真結(jié)果影響不大的零部件如銷軸及彈簧等;

3）對各構(gòu)件做剛性處理，忽略構(gòu)件的彈性變形;

4）對機(jī)構(gòu)中的零部件進(jìn)行簡化處理，忽略相關(guān)的圓角及倒角。

1.2 模型簡述

利用三維建模軟件建立火炮扣機(jī)的三維實(shí)體模型后，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的格式導(dǎo)入ADAMS軟件中建立有效地動(dòng)力學(xué)仿真模型。由于火炮射擊時(shí)間較短，推彈滑座與阻鐵在撞擊的過程中持續(xù)時(shí)間非常短且相互間的作用是極其復(fù)雜的，同時(shí)力又是巨大的，通常做如下假設(shè)［2］:

1）在碰撞過程中，與碰撞力相比較，常規(guī)力（如重力、彈性力、物有引力等）遠(yuǎn)小于碰撞力的沖量，因此常規(guī)力的沖量可以忽略不計(jì)。

2）在碰撞時(shí)，由于時(shí)間非常短促，物體的位移可忽略不計(jì)。

為了便于研究自動(dòng)機(jī)各構(gòu)件的撞擊，通常用反映機(jī)構(gòu)的主要特性，而忽略一些次要特性的結(jié)構(gòu)簡圖來代替實(shí)際的機(jī)構(gòu)圖?？蹤C(jī)部件中推彈滑座與阻鐵的碰撞簡圖如圖1所示。

在機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件中設(shè)定全局坐標(biāo)系，該模型簡化為14個(gè)剛體，該模型拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中滾輪、滾輪座及擊發(fā)軸通過（h1）固定鉸連接;傳動(dòng)杠桿、轉(zhuǎn)動(dòng)撥叉及回位杠桿以（h2）旋轉(zhuǎn)鉸連接;推彈滑座與傳動(dòng)杠桿間以（h3）滑移鉸連接;阻鐵撥叉與阻鐵間以以（h4）旋轉(zhuǎn)鉸連接;彈簧導(dǎo)桿與阻鐵間以（h5）滑移鉸連接;解脫器、滑座撥叉通過（h6）旋轉(zhuǎn)鉸;所有零部件間定義實(shí)體與實(shí)體接觸來傳遞各受力。

圖1 復(fù)進(jìn)時(shí)推彈滑座與阻鐵碰撞受力示意圖

圖2 拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)

1.3 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程

多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是基于經(jīng)典力學(xué)理論中最簡單的情況即自由質(zhì)點(diǎn)和一般簡單的少數(shù)多個(gè)剛體，利用虛擬樣機(jī)中帶拉格朗日乘子的第一類拉格朗日方程建立多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程［3］。它以每個(gè)零部件質(zhì)心在慣性坐標(biāo)中的笛卡爾坐標(biāo)與歐拉角為廣義坐標(biāo)，表達(dá)式如下:

由零件質(zhì)心的參考系與地面坐標(biāo)系的變換矩陣經(jīng)轉(zhuǎn)化所得動(dòng)力學(xué)方程為:

其中:T—系統(tǒng)的動(dòng)能;

qi—為廣義坐標(biāo);

Qi—為廣義力;

動(dòng)力學(xué)模型建立完成后由多體系動(dòng)力學(xué)模型得到動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，從而帶入求解器進(jìn)行求解，其建模與求解流程如圖3所示。

2 ADAMS中碰撞力的定義

圖3 動(dòng)力學(xué)建模與求解流程

ADAMS/Solver中采用兩種方法計(jì)算碰撞力:一種是回歸法（Restitution），通過定義恢復(fù)因數(shù)來計(jì)算碰撞力;另一種是沖擊函數(shù)法［4］（Impact），通過定義剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)來計(jì)算碰撞力。由于回歸法的參數(shù)設(shè)置比較難，且適用于恢復(fù)因數(shù)已知的情況，因此多用后者來計(jì)算碰撞力。沖擊函數(shù)法的計(jì)算速度較快，使用的參數(shù)（如剛度系數(shù)及阻尼系數(shù)等）能夠更好地控制碰撞力，在仿真中能得到滿意的效果，因此采用沖擊函數(shù)法來計(jì)算推彈滑座與阻鐵間的碰撞力，其一般表達(dá)式為:

式中:k為剛度系數(shù)，e為指數(shù)，cmax為阻尼系數(shù)，d為切入深度，其決定阻尼力的大小，x為沖擊函數(shù)中的距離變量，x0兩物體碰撞的初始距離，dx/dt為距離隨時(shí)間的變化率（即速度）。為了防止碰撞過程中阻尼力的不連續(xù)，式中采用了step（）子函數(shù)可參照ADAMS幫助文件［5］。當(dāng)x≥x0時(shí)表示物體不發(fā)生接觸，此時(shí)碰撞力為零，當(dāng)x＜x0時(shí)，表示兩物體發(fā)生碰撞，其碰撞力大小與式（3）中的參數(shù)有關(guān)。

3 推彈滑座與阻鐵碰撞的動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

采用三維建模軟件來完成對火炮扣機(jī)三維實(shí)體模型的建立，把模型導(dǎo)入ADAMS后對各個(gè)零件定義相關(guān)的約束、接觸和施加外力［6］，在接觸命令中涉及到剛度、阻尼等各系數(shù)查閱碰撞參數(shù)表，其接觸參數(shù)的選取如表1所示。

表1 推彈滑座與阻鐵碰撞參數(shù)設(shè)置

為了提高仿真的速度，縮短仿真時(shí)間，設(shè)定仿真的時(shí)間為0.1 s，仿真的步數(shù)為100。

3.2 動(dòng)力學(xué)仿真及分析

上述設(shè)置完成后，開始進(jìn)行仿真。隨著傾角φ的增大，為保證推彈滑座與阻鐵能夠在不同傾角φ下很好的解脫，在滾輪座上施加的外力也會隨之增加?？紤]到應(yīng)在施加外力相同的情況下比較推彈滑座與阻鐵的碰撞力，由于在大傾角時(shí)施加的初始外力會對小傾角的仿真曲線有很大，鑒于其對仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，在φ≤50°時(shí)，分析的是在推彈滑座與阻鐵后坐到位后，在液壓系統(tǒng)不工作阻鐵已抬起時(shí)推彈滑座的水平方向的位移大小，如圖4—圖6所示。

從圖4—圖6中知，在液壓系統(tǒng)不工作時(shí)推彈滑座在外力的驅(qū)動(dòng)下復(fù)進(jìn)，在最大位移處時(shí)阻鐵的抬起阻止了推彈滑座的繼續(xù)移動(dòng)，經(jīng)幾次碰撞后停下。推彈滑座在最低點(diǎn)處位移大小依次為 26.150 8 mm，25.805 mm 及25.588 8 mm。隨著傾角的逐漸增大，推彈滑座在后坐到位后運(yùn)動(dòng)的最大位移是逐漸減小的。在φ=47°時(shí)為26.150 8 mm，當(dāng) φ =50°時(shí)為25.588 8 mm，這是因?yàn)樵谝簤合到y(tǒng)不工作下阻鐵已抬起，阻鐵能夠阻擋住推彈滑座的運(yùn)動(dòng)。在停射時(shí)出于安全考慮推彈滑座的位移越小越好。

在φ≥51°時(shí)分析推彈滑座與阻鐵在解脫模型下的碰撞。由于該碰撞為斜碰撞，即在x（水平）方向及y（豎直）方向推彈滑座與阻鐵的碰撞力都存在，因此每個(gè)傾角對應(yīng)的碰撞力仿真曲線有兩條，如圖7—圖10所示。

從圖7—圖10的曲線看出水平、豎直方向的碰撞曲線在大約2.5 ms時(shí)發(fā)生突變，經(jīng)過一段時(shí)間后逐漸減小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是推彈滑座與阻鐵兩物體在瞬間突然接觸發(fā)生撞擊，物體的動(dòng)量在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯變化造成的。隨著角度φ的增大，阻鐵與推彈滑座在水平方向和豎直方向的最大碰撞力呈現(xiàn)越來越大的趨勢，且隨著傾角φ的增大碰撞作用的時(shí)間也逐漸增長。在φ=51°時(shí)，水平方向的最大碰撞力為4 569.553 7 N，豎直方向的最大碰撞力5 810.763 7 N;當(dāng)φ=54°時(shí)，水平方向的最大碰撞力為13 475.093 1 N，豎直方向的最大碰撞力為16651.1337 N，水平、豎直方向的力增大了接近三倍，且φ=51°時(shí)，其碰撞力較小且作用時(shí)間相對其它來說也較短。由圖4—圖6知φ=51°時(shí)推彈滑座的最大位移比φ=50°時(shí)的要小，因此在φ=51°時(shí)構(gòu)件的剛強(qiáng)度及可靠性方面結(jié)構(gòu)最優(yōu)。

4 結(jié)語

本文利用三維建模軟件建立了機(jī)械式的火炮扣機(jī)模型，利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS對火炮扣機(jī)的推彈滑座與阻鐵構(gòu)件進(jìn)行了碰撞動(dòng)力學(xué)分析，通過在小傾角下比較推彈滑座的位移的大小，在大傾角時(shí)比較推彈滑座與阻鐵的碰撞力的大小，優(yōu)化分析出了最佳角度下的模型結(jié)構(gòu)，在提高零部件剛強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)的可靠性方面為其提供了依據(jù)。

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