閆鵬程，郝馳宇，2，孫華剛，劉 超

（1.軍械技術研究所，石家莊 050003；2.軍械工程學院，石家莊 050003）

輸彈機關重件在時變載荷下的聯(lián)合仿真

閆鵬程1，郝馳宇1，2，孫華剛1，劉 超1

（1.軍械技術研究所，石家莊 050003；2.軍械工程學院，石家莊 050003）

為了掌握某型自行火炮中開式鏈傳動輸彈機的關重件-鏈板在時變載荷下的受力情況，在多體力學仿真軟件RecurDyn中建立了輸彈機的虛擬樣機模型并進行了驗證，在有限元分析軟件ANSYS中對剛性輸彈鏈進行了模態(tài)分析得到了其固有頻率和相應振型，通過載荷文件的提取與轉(zhuǎn)化，將時變載荷文件導入到ANSYS中，對關重件進行瞬態(tài)動力學分析，實現(xiàn)了多體動力學與有限元信息的聯(lián)合仿真，提高了仿真分析的精度和效率，分析關重件的受力情況可以確定危險位置，對輸彈機的故障機理及故障演化規(guī)律提供一定依據(jù)。

輸彈機，多體動力學，有限元分析，聯(lián)合仿真，RecurDyn，ANSYS

0 前言

現(xiàn)代自行火炮的發(fā)展趨勢為自動填裝，實現(xiàn)彈藥的自動填裝具有提高火炮射速、增大火炮威力等優(yōu)勢［1］。輸彈機是自行火炮自動裝填系統(tǒng)中一個重要的子系統(tǒng)，作用是將輸送到輸彈線上面的彈丸或藥筒，迅速可靠地輸送到炮膛內(nèi)，提高火炮發(fā)射速度。由于輸彈機具有結構復雜、工作環(huán)境惡劣、工作負荷沖擊大、工作環(huán)境封閉不便于保養(yǎng)等特點，使其成為自動填裝系統(tǒng)中故障發(fā)生率比較高的子系統(tǒng)。

隨著計算機仿真技術逐漸發(fā)展成熟，有限元分析和多體動力學仿真技術的應用越加廣泛，然而其相互之間的數(shù)據(jù)信息難以共享對仿真的精度和效率有影響，如何實現(xiàn)多體動力學與有限元分析之間有效的集成，是近年來仿真領域研究的熱點之一［2］。

本文針對某型自行火炮供輸彈系統(tǒng)中開式鏈傳動輸彈機，在多體動力學仿真軟件RecurDyn中建立了其虛擬樣機模型，利用有限元分析軟件ANSYS分析了剛性鏈條的固有頻率和振型，將載荷文件輸入到關重件-鏈板的有限元模型中，實現(xiàn)了RecurDyn和ANSYS的聯(lián)合仿真，得到了輸彈行程中關重件的受力情況，確定了危險點的位置，為故障演化規(guī)律和故障診斷提供一定的依據(jù)。

1 輸彈機虛擬樣機的建立與驗證

1.1 輸彈機的基本結構和運行原理

該開式鏈傳動輸彈機主要是由齒輪箱體、鏈盒、鏈條、推殼機構等組成［3］，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 輸彈機基本結構示意圖

輸彈行程中，鏈輪帶動鏈盒中的鏈條運動，不工作時，鏈條呈柔性體，輸彈行程中鏈條經(jīng)過卡鎖機構時，鎖爪閉鎖，內(nèi)外鏈板端面閉合，鏈條成為剛性桿推動彈丸入膛。收鏈過程中，剛性鏈條經(jīng)過解鎖機構時解鎖，收回到鏈盒中，其運行原理圖如圖2所示。

圖2 輸彈機工作原理剖面示意圖

1.2 虛擬樣機模型的建立

在三維建模軟件SolidWorks中分別建立了鏈盒、鏈條、卡鎖機構及推殼小車等輸彈機部件的三維實體模型，進行適當簡化后按照其裝配圖進行裝配，裝配體如圖3所示。

圖3 輸彈機裝配圖

將三維模型以parasolid格式導入到RecurDyn中，在輸彈機的各零部件之間添加約束，約束的添加需要符合輸彈機的實際工況和部件間的真實相對運動［4］，為輸彈機添加合理的約束：

①鏈盒與地面、卡鎖機構和鏈盒之間建立固定鉸約束；

②內(nèi)外鏈板、鎖爪與滾輪之間加入旋轉(zhuǎn)鉸約束；

③推殼小車與鏈盒之間加入平移鉸約束。

RecurDyn中提供了豐富的接觸類型來根據(jù)需求選取最合適的接觸方法，目前支持3大類：面面接觸、分析接觸和實體接觸共26種接觸［5］。根據(jù)輸彈機的實際工況為其部件添加合理的接觸參數(shù)。

根據(jù)輸彈過程的設計要求，輸彈速度必須達到3.3m/s~3.5m/s，期望加速段遵循圖4，加速段和勻速段總時間為 1s［3］。

圖4 輸彈機的期望時間-速度曲線

參考上述曲線，利用STEP函數(shù)為輸彈機添加驅(qū)動，在RecurDyn中，STEP函數(shù)采用三次多項式逼近海賽（Heaviside）階躍函數(shù)，通常用于定義一個相對光滑的階躍函數(shù)［5］。STEP函數(shù)定義為：

根據(jù)上述曲線計算可得，輸彈機鏈輪添加的驅(qū)動函數(shù)為：

1.3 虛擬樣機的驗證

建立虛擬樣機的目的是利用虛擬樣機來模擬物理樣機的真實性能，沒有經(jīng)過驗證的虛擬樣機的仿真結果是沒有實際意義的［6］。輸彈機的主要作用就是推動彈丸以一定的速度快速入膛，所以選取鏈條的速度作為驗證虛擬樣機可信度的指標，將虛擬樣機的仿真值與設計值相比較，如下頁圖5所示。

圖5 鏈條速度仿真值與期望值的比較

可以看出，輸彈機在仿真過程中鏈條的速度曲線與設計值有一定的偏差，這主要是由于在虛擬樣機的仿真過程中進行了一定的簡化導致的。但是兩曲線相差值不是很大，變化的趨勢也是基本一致的，這就說明建立的虛擬樣機模型是合理的，能夠用于下一步的動力學分析。

2 輸彈鏈的有限元模態(tài)分析

2.1 有限元模型的建立

模態(tài)分析是確定線性構件的固有頻率和振型的分析技術，是進行其他動力學分析的基礎［7］。在SolidWorks中建立輸彈鏈的三維實體模型，如圖6所示，為提高計算效率，建模時對模型進行適當?shù)暮喕?。利用parasolid格式導入到ANSYS中，采用8節(jié)點的六面體單元（Solid45）對模型進行網(wǎng)格的自由劃分，共得到9 408個節(jié)點和152 217個單元。設定輸彈鏈的材料屬性，在輸彈鏈末端相應的端面上添加自由度約束，利用Lanczos法對模型進行模態(tài)分析。

圖6 剛性輸彈鏈三維模型

2.2 有限元模態(tài)結果分析

在輸彈行程中，輸彈鏈條閉鎖后成為剛性體，輸彈鏈在輸彈行程可看做細長梁結構，彎曲振動（橫向彎曲和縱向彎曲）為其在低頻率范圍內(nèi)的主要變形方式［8］。在ANSYS中對輸彈鏈模型進行求解之后，可以在通用后處理模塊中查看分析結果。表1給出了輸彈鏈的前8階固有頻率和振型特征，圖7給出了前8階固有頻率對應的振型圖。觀察輸彈鏈的低階振型圖可以看出，在低階固有頻率范圍內(nèi)的變形主要是橫向彎曲變形、縱向彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，變形量較大。

通過對輸彈鏈的有限元分析，掌握了輸彈鏈的振型和固有特性，為下一步的結構動力學分析打下了基礎。

表1 推彈鏈的前8階模態(tài)的固有頻率與振型特征

圖7 輸彈鏈前8階振型圖

3 多體動力學與有限元聯(lián)合仿真

3.1 聯(lián)合仿真原理

在運行狀態(tài)不斷變化的多體動力學系統(tǒng)中，各部件在每個時態(tài)所受的載荷是不一樣的，本文中通過多體動力學仿真得到零件的時變載荷曲線，對進行采樣后得到離散的載荷序列作為輸入載荷，對零件進行有限元分析，得到零件在變載荷下的響應［9］，如下頁圖8所示。

3.2 關重件的柔性化

3.2.1 關重件的受力分析

圖9為輸彈機關重件-鏈板的受力圖，在輸彈行程中，鏈板由兩端銷軸連接，隨著鏈輪的轉(zhuǎn)動，鏈板兩端面閉合成為剛性體，推動彈丸進入炮膛中，所以鏈板受力由兩部分組成，第1部分是連接鏈板的銷軸力Fr，第2部分是鏈板端面閉合形成的壓力Ft。

圖8 多體動力學與有限元聯(lián)合仿真方法示意圖

圖9 外鏈板受力分析圖

3.2.2 關重件的瞬態(tài)動力學分析

瞬態(tài)動力學分析是確定隨時間變化載荷作用下結構相應的技術，它的輸入時作為時間函數(shù)的載荷，輸出數(shù)據(jù)是隨時間變化的位移和其他的導出量［7］。

將外鏈板的模型以parasolid格式導入到有限元軟件ANSYS中，設定好其材料屬性之后，采用8節(jié)點的六面體單元（solid45）對推彈鏈模型進行自由分網(wǎng)，共得到1 206個節(jié)點和3 165個單元。如圖10所示。

圖10 外鏈板的有限元模型

在對外鏈板進行柔性體的網(wǎng)格劃分后，結合鏈板在RecurDyn中得到輸彈行程中的時變載荷，以表格的形式導入到有限元分析中，根據(jù)圖9的受力分析分別加載到相應的受力面或節(jié)點處，如圖11所示，采用瞬態(tài)動力學分析中的Full法，對鏈板進行仿真分析。

3.3 關重件的有限元仿真分析

在施加載荷仿真結束后，在ANSYS的后處理中可以看到零件的在時變載荷下的云圖和載荷曲線，圖12所示為鏈板出現(xiàn)最大應力時的云圖（t=1.04 s），而圖13所示為出現(xiàn)應力極值的434節(jié)點應力隨時間變化的曲線。

從圖12和圖13中分析可得：

①從應力的時間分布上來看，鏈板的應力值在t=0.9 s之后明顯增加，極值點出現(xiàn)在t=1.04 s，這是因為在輸彈行程末段鏈條的速度急速下降，造成鏈條內(nèi)部的動載荷顯著增大造成的；

②從應力的位置分布來看，鏈板的側(cè)表面中下部的應力是較大，危險點在側(cè)表面下邊緣上，而考慮到銷軸與鏈板的碰撞磨損，但由于銷軸與鏈板之間存在持續(xù)的接觸及摩擦碰撞，所以鏈板的最易受損的位置應該是鏈板與銷軸接觸的銷軸孔內(nèi)表面。

圖11 外鏈板有限元模型載荷的添加

圖12 外鏈板應力圖

圖13 節(jié)點434的應力曲線

4 結論

利用多體動力學仿真軟件RecurDyn建立了完整的開式鏈傳動輸彈機的虛擬樣機模型。

在有限元仿真軟件ANSYS中分析了剛性輸彈鏈的低階固有頻率及其對應的振型，結果顯示輸彈鏈在低階固有頻率時主要表現(xiàn)為彎曲變形，且變形量較大。

實現(xiàn)了RecurDyn和ANSYS的聯(lián)合仿真，得到了關重件-鏈板在輸彈行程中變載荷下的受力情況，確定危險位置在鏈板外側(cè)的中下部，最易受損的部位為銷軸孔內(nèi)表面，為輸彈機構故障機理分析和下一步的故障仿真提供了一定的依據(jù)。

［1］王浩亦，馮廣斌，孫華剛，等.協(xié)調(diào)器動力學分析及故障仿真研究［J］.火炮發(fā)射與控制學報，2013，41（1）：59-62.

［2］林小夏，張樹有，陳婧，等.多體動力學與有限元聯(lián)合仿真的時變載荷歷程模型［J］.浙江大學學報，2011，42（9）：1643-1649.

［3］侯保林，樵軍謀，劉琮敏.火炮自動裝填［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2010：69-77.

［4］李偉，王興貴，黃澤平，等.輸彈機虛擬樣機建模與動態(tài)仿真［J］.火炮發(fā)射與控制學報，2006，34（12）：29-32.

［5］周傳晟，張敬慧，高瑞營.某型艦炮輸彈機關鍵尺寸分析［J］.四川兵工學報，2014，33（9）：36-38.

［6］劉義，徐愷，李濟順.RecurDyn多體動力學仿真基礎應用及提高［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

［7］李偉，馬吉勝，狄長春，等.液壓式輸彈機輸彈故障仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2007，19（10）:2226-2229.

［8］張朝暉.ANSYS11.0結構分析工程應用實例解析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［9］胡海巖.機械振動基礎［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

Study on Co-simulation of Ramm ing M echanism Key Componentsw ith Time Varying Load

YANPeng-cheng1，HAOChi-yu1，2，SUNHua-gang1，LIUChao1
（1.Ordnance Technical Research Institute，Shijiazhuang 050003，China；2.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In order tomaster the force of rammingmechanism key componentwhich on automatic loading system of a certain artillery with time varying load,the virtual prototype simulation model of ramming mechanism is built and verifies based on the multi-body dynamics software RecurDyn，then the modal analysis is carried out in ANSYS to get the main performance of ramming chain in the low order natural frequency.The load files ofmulti-body dynamics system are extracted，transformed and imported into the finite element transient dynamics analysis，the co-simulation based on the heterogeneous system information of multi-body dynamic and FEA is carried out，the precision and efficiency of simulation are improved.The force of key components in ramming process is get to determine the dangerous location，the basis of the mechanisms failure and fault evolution of ramming mechanism is provided by the results.

ramming mechanism，multi-body dynamics，co-simulation，finite element analysis，RecurDyn，ANSYS

TH132.45；TJ3

A

1002-0640（2015）11-0102-04

2014-09-05

2014-10-07

閆鵬程（1965- ），男，研究員，博士。研究方向：測試技術與應用。