□ 牛碧凱 □ 王惠源 □ 趙良偉

1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 太原 030051

2.中國(guó)兵器工業(yè)208所 北京 102200

某轉(zhuǎn)管武器后坐力靜態(tài)標(biāo)定裝置的設(shè)計(jì)與分析

□ 牛碧凱1□ 王惠源1□ 趙良偉2

1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 太原 030051

2.中國(guó)兵器工業(yè)208所 北京 102200

針對(duì)某轉(zhuǎn)管武器后坐力的標(biāo)定，設(shè)計(jì)了一種后坐力靜態(tài)標(biāo)定裝置，并對(duì)裝置內(nèi)部的關(guān)鍵部件推力桿分別利用歐拉公式和ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行理論求解和仿真分析，進(jìn)行了穩(wěn)定性校核。并將兩者結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了該構(gòu)件設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的可靠性。

后坐力標(biāo)定 有限元分析 ANSYS 穩(wěn)定分析

武裝直升機(jī)發(fā)射武器時(shí)，武器的后坐力加入到原來(lái)的平衡系統(tǒng)中，直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將會(huì)發(fā)生變化。若這種變化十分劇烈，就會(huì)降低武器的射擊精度，甚至引起飛行安全問(wèn)題［1］。因此，在航空武器進(jìn)行上機(jī)試驗(yàn)前，需要對(duì)武器的后坐力進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。針對(duì)某型號(hào)轉(zhuǎn)管航空機(jī)槍后坐力標(biāo)定，設(shè)計(jì)了一種加載裝置對(duì)后坐力進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，并對(duì)裝置中的關(guān)鍵部件進(jìn)行了理論分析和有限元特征屈曲分析。

ANSYS是著名的有限元數(shù)值模擬軟件，在工程計(jì)算中的應(yīng)用非常廣泛。屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定荷載作用下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，屈曲分析包括線(xiàn)性特征值屈曲分析和非線(xiàn)性屈曲分析［2］。線(xiàn)性特征值屈曲分析是進(jìn)行非線(xiàn)性屈曲分析的基礎(chǔ)，線(xiàn)性特征值屈曲分析通常情況下可以為非線(xiàn)性屈曲分析提供合理的初始屈曲模態(tài)和與之對(duì)應(yīng)的特征值。在非線(xiàn)性屈曲分析中，可以考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷、塑性行為、大變形響應(yīng)等因素的影響，以更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際桿件的加載情況。

1 標(biāo)定體系的組成

靜態(tài)標(biāo)定裝置由立柱、推力絲桿、套筒、傳感器座、推桿、推力桿等機(jī)構(gòu)組成，裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作時(shí)首先由人工轉(zhuǎn)動(dòng)力矩扳手帶動(dòng)推力絲桿運(yùn)動(dòng)，推力絲桿推動(dòng)軸承座和壓力傳感器座向前直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，壓力傳感器測(cè)出傳遞力的大小并推動(dòng)推桿向前運(yùn)動(dòng)，最后由裝置前端的兩個(gè)推力桿推動(dòng)航槍的緩沖裝置進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。

由于所標(biāo)定的后坐力數(shù)值很大，并且裝置中的傳遞力由推力桿傳遞給緩沖簧，因此要保證推力桿的同軸度，并且保證推力桿在工作過(guò)程中不能變形。在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要考慮推力桿能不能實(shí)現(xiàn)同軸且不會(huì)失穩(wěn)，因此要對(duì)推力桿的材料和形狀進(jìn)行穩(wěn)定性分析。該推力桿選用材料為45號(hào)鋼，屈服極限σs=350 MPa；比例極限σp=280 MPa；彈性模量E=210 GPa；穩(wěn)定安全因數(shù)nst=9。

▲圖1 靜態(tài)標(biāo)定裝置組成結(jié)構(gòu)

▲圖2 標(biāo)定裝置三維圖

▲圖3 航空機(jī)槍示意圖

2 基于經(jīng)典理論的計(jì)算

推力桿與連接塊之間的配合是過(guò)盈配合，因此在分析中可以作出假設(shè)：①由于推力桿的直徑相對(duì)于長(zhǎng)度很小，可以把推力桿簡(jiǎn)化為一細(xì)長(zhǎng)桿，假定推力桿為受壓細(xì)長(zhǎng)桿件；②推力桿與連接塊配合處可以假設(shè)為推力桿底端固定、另一端自由受力；③ 假定從緩沖簧反作用于推力桿的力是在推力桿軸線(xiàn)上；④ 假定在計(jì)算中是等截面計(jì)算，取最危險(xiǎn)的半徑即凸臺(tái)半徑為推力桿穩(wěn)定計(jì)算半徑。

根據(jù)以上假設(shè)可以計(jì)算推力桿的臨界壓力：

式中：Fcr為推力桿的臨界壓力；E為彈性模量；I為橫截面的慣性矩；μ為長(zhǎng)度因數(shù)，取μ=2；l為推力桿長(zhǎng)度。

與臨界壓力對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為：

把式中橫截面積的慣性矩I寫(xiě)成：

式中：i為截面的慣性半徑。

這樣，式（2）可以寫(xiě)成：

式中：λ=μl/i。

λ稱(chēng)為柔度或長(zhǎng)細(xì)比，它集中地反應(yīng)了推力桿的長(zhǎng)度、約束條件、截面尺寸和形狀等因素對(duì)臨界應(yīng)力σcr的影響［3］。

根據(jù)式（4），可以計(jì)算出極限值柔度為86，在本次理論計(jì)算中為等截面分析，可以取凸臺(tái)直徑大小作為計(jì)算直徑，即20 mm，根據(jù)式（5）計(jì)算得出柔度值為140，該推力桿為大柔度推力桿。根據(jù)歐拉公式可以計(jì)算出臨界壓力Fcr=33 170.4 N。

3 有限元分析

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

建立正確的推力桿有限元模型是進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，主要分析推力桿在最危險(xiǎn)截面的情況下滿(mǎn)足穩(wěn)定要求的情況，可以把推力桿看成細(xì)長(zhǎng)桿進(jìn)行有限元特征值屈曲分析。在進(jìn)行單元選擇時(shí)，選用BEAM189單元，BEAM189為計(jì)入剪切效應(yīng)和大變形效應(yīng)的3-D線(xiàn)性有限應(yīng)變梁，適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等短粗梁結(jié)構(gòu)?；赥imoshenko梁理論認(rèn)為，在變形前，梁的橫截面與梁的幾何中心線(xiàn)是垂直的，而變形后，由于考慮了橫向剪切，其橫截面不再與幾何中心面相垂直，而這個(gè)不垂直量即為橫向剪切量，整個(gè)量的計(jì)算可以通過(guò)嚴(yán)格的推導(dǎo)得出［4］。對(duì)于不同梁有不同的剪切修正系數(shù)，計(jì)算結(jié)果接近實(shí)體模型。因此，選用BEAM189單元進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，建立的模型和劃分網(wǎng)格如圖4所示。

3.2 應(yīng)力分析

引入合適的邊界條件能提高計(jì)算精度，邊界約束應(yīng)該盡量與實(shí)際相符，避免出現(xiàn)過(guò)約束或欠約束［5］。本計(jì)算先在模型的底端施加固定位移約束，然后再施加載荷進(jìn)行求解。求解完成后進(jìn)入后處理模塊，查看推力桿彈性體的相對(duì)應(yīng)力分布和屈曲載荷系數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

由分析結(jié)果可以看出，顯示的屈曲載荷系數(shù)為31 525.6，由于在靜應(yīng)力分析時(shí)給結(jié)構(gòu)施加的是單位載荷，所以該推力桿的臨界壓力即為31 525.6 N，與理論分結(jié)果相比相對(duì)誤差為4.9%。

4 結(jié)論

通過(guò)本研究可以得到以下結(jié)論。

▲圖4 推力桿簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格

▲圖5 推力桿簡(jiǎn)化模型分析結(jié)果

（1）本文首先建立一種新型的后坐力靜態(tài)標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)，并對(duì)其中關(guān)鍵部件進(jìn)行了理論分析和有限元特征值屈曲分析，證明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和適用性。

（2）通過(guò)對(duì)推力桿彈性體進(jìn)行ANSYS有限元屈曲分析，得到了桿件的相對(duì)應(yīng)力分布和屈曲載荷系數(shù)，并和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)通過(guò)ANSYS計(jì)算得到的結(jié)果與歐拉公式計(jì)算結(jié)果相差較為吻合，證明了ANSYS計(jì)算結(jié)果在工程應(yīng)用中的可參考性。

（3）通過(guò)本次分析計(jì)算，可以為以后該標(biāo)定裝置的改進(jìn)和優(yōu)化提供參考。

［1］向錦武，楊超.俯沖狀態(tài)炮擊后座力對(duì)直升機(jī)姿態(tài)的影響［J］.飛行力學(xué)，1999（3）：27-31.

［2］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］張洪才.ANSYS14.0理論解析與工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［4］何晶晶.壓桿彈塑性失穩(wěn)的ANSYS分析 ［J］.科苑雜談，2007（22）：48-49.

［5］李麗君，沈玉鳳.ANSYS對(duì)壓桿穩(wěn)定的輔助教學(xué)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009（2）：121-123.

［6］賀向東，張義民.薛玉春.等.壓桿穩(wěn)定可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2007（9）：33-35.

（編輯 丁 罡）

TH123+.1；TJ302

A

1000-4998（2015）02-0061-03

2014年7月