陳偉，陳秋紅，胡有璋，趙威，陳瑤

(1. 中國人民解放軍73853部隊(duì) 江蘇 南京 211811；2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094； 3. 南京祿口國際機(jī)場 江蘇 南京 211113；4. 中國人民解放軍75250部隊(duì) 廣東 廣州 510800; 5. 南京軍區(qū)聯(lián)勤部信息中心，江蘇 南京 210016)

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某擊發(fā)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真研究

陳偉1,2，陳秋紅3，胡有璋1，趙威2,4，陳瑤5

(1. 中國人民解放軍73853部隊(duì) 江蘇 南京 211811；2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094； 3. 南京祿口國際機(jī)場 江蘇 南京 211113；4. 中國人民解放軍75250部隊(duì) 廣東 廣州 510800; 5. 南京軍區(qū)聯(lián)勤部信息中心，江蘇 南京 210016)

摘要：為了研究擊發(fā)機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性，對(duì)擊發(fā)機(jī)構(gòu)零部件進(jìn)行三維實(shí)體建模，考慮撥動(dòng)子駐栓、發(fā)射器推桿和電磁連桿的柔性，利用Hypermesh軟件對(duì)它們進(jìn)行模態(tài)分析，生成可被動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS調(diào)用的模態(tài)中性文件，建立擊發(fā)機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，對(duì)擊發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析和對(duì)擊發(fā)機(jī)構(gòu)機(jī)理分析使用方法與手段，分析結(jié)果對(duì)于火炮擊發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：擊發(fā)機(jī)構(gòu)；多體動(dòng)力學(xué)；剛?cè)狁詈?；ADAMS

0引言

擊發(fā)機(jī)構(gòu)是火炮的重要組成部分，在火炮發(fā)射時(shí)，擊針在沖擊力的作用下猛烈地撞擊底火，使底火殼發(fā)生變形，底火內(nèi)的擊發(fā)藥受到猛烈的擠壓而被點(diǎn)燃，并進(jìn)而引燃發(fā)射藥[1]。擊發(fā)機(jī)構(gòu)包含部件眾多，且各部件在工作過程中存在復(fù)雜的接觸和碰撞關(guān)系，因此獲取擊發(fā)機(jī)構(gòu)工作時(shí)各部件實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況，將會(huì)為擊發(fā)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能改善提供重要依據(jù)。

1擊發(fā)機(jī)構(gòu)工作原理

研究的擊發(fā)機(jī)構(gòu)是擊錘式擊發(fā)機(jī)構(gòu)，采用電磁擊發(fā)和手動(dòng)機(jī)械擊發(fā)兩種擊發(fā)方式，其中手動(dòng)機(jī)械擊發(fā)方式和電磁擊發(fā)方式原理基本相同，現(xiàn)僅對(duì)采用電磁擊發(fā)方式時(shí)擊發(fā)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析。擊發(fā)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　擊發(fā)機(jī)構(gòu)三維裝配圖

工作原理為[2]：按壓電磁鐵擊發(fā)按鈕—擊發(fā)配電盒—擊發(fā)電磁鐵—電磁鐵推動(dòng)電磁桿—撞擊擊發(fā)擋板—撞擊炮尾中的發(fā)射器推桿—撞擊發(fā)射器杠桿—撞擊炮閂中的撥動(dòng)子駐栓—解脫撥動(dòng)子—釋放擊錘彈簧和擊發(fā)擊錘—撞擊擊針—撞擊底火來完成擊發(fā)的任務(wù)。

2擊發(fā)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

2.1擊發(fā)機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈辖Ａ鞒淘O(shè)計(jì)

為了充分模擬擊發(fā)機(jī)構(gòu)的工作過程，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模時(shí)應(yīng)該充分考慮系統(tǒng)部件本身的材料和結(jié)構(gòu)所具有的彈性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響。故將擊發(fā)機(jī)構(gòu)所有的部件都作為剛性部件處理是不符合實(shí)際的。在本擊發(fā)機(jī)構(gòu)中，考慮到撥動(dòng)子駐栓、發(fā)射器推桿、電磁連桿的柔性對(duì)仿真結(jié)果影響比較大，故將這3個(gè)部件進(jìn)行柔性處理。建立該擊發(fā)機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷牧鞒倘鐖D2所示。

圖2　擊發(fā)機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ徒Ａ鞒虉D

2.2柔性部件模態(tài)分析

在進(jìn)行柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，首先要計(jì)算構(gòu)件在不計(jì)阻尼情況下的固有頻率和振型。主振動(dòng)模態(tài)或者振型是指結(jié)構(gòu)在某頻率下的變形，其中每階振型都與其特定的固有頻率相關(guān)，它們可以反映構(gòu)件自身的動(dòng)力學(xué)特征，同時(shí)也決定了構(gòu)件怎樣去響應(yīng)其外部動(dòng)力載荷。固有模態(tài)可以組合構(gòu)件的各動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，模態(tài)分析的結(jié)果同時(shí)也是多種動(dòng)態(tài)響應(yīng)的判據(jù)，所以首先對(duì)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析。

2.2.1模態(tài)分析理論基礎(chǔ)[3-5]

1) 多自由度動(dòng)力學(xué)方程

動(dòng)力學(xué)有限元法的控制平衡方程為：

(1)

由于模態(tài)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有特性，只與自身?xiàng)l件相關(guān)，與外部激勵(lì)條件無關(guān)。因此系統(tǒng)的固有頻率和振型可以通過求解式(2)(系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程)來得到。

(2)

由于系統(tǒng)在自由振動(dòng)時(shí)F(t)=0，阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型影響很小，因此可以去掉阻尼項(xiàng)，得到?jīng)]考慮阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程，如式(3)所示：

(3)

2) 結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型

在實(shí)際的應(yīng)用中，可以把結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)看成是由一系列簡諧振動(dòng)的疊加組成，因此要得到結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的固有頻率及振型，可以考慮如式(4)所示簡諧振動(dòng)的解：

{X(t)}={φ}sin(ωt)

(4)

(5)

由經(jīng)驗(yàn)可知，物體的密度ρ>0，[M]是對(duì)稱正定矩陣，沒有作處理時(shí)[K]是對(duì)稱半正定陣。不過，假如在實(shí)際問題中有位移約束條件，矩陣[K]經(jīng)過處理后就是正定矩陣。

令λ=ω2

(6)

代入式(5)可得：

(7)

假如[K]為N階矩陣，那么式(7)就是特征值λ的N次代數(shù)方程，由此可以確定N個(gè)廣義特征值λ(i=1,…,n)。若[K]是對(duì)稱正定陣，λ就是正實(shí)數(shù)，因此彈性體的N個(gè)固有頻率可以由式(6)得到：

(8)

其中：N是節(jié)點(diǎn)位移參數(shù)的總自由度。

2.2.2模態(tài)分析模型建立

將建好的三維實(shí)體模型直接導(dǎo)入Hypermesh軟件進(jìn)行有限元模型網(wǎng)格劃定和模態(tài)文件生成。考慮到計(jì)算的精度，選用精度較高的8節(jié)點(diǎn)等參6面體單元。在Hypermesh軟件中需要定義這3個(gè)柔性體的材料，相關(guān)的材料參數(shù)見表1，其中E為材料的彈性模量，為材料的泊松比，為材料密度。

表1　柔性體的材料參數(shù)

劃分好的撥動(dòng)子駐閂、發(fā)射器推桿和電磁連桿各自擁有的單元個(gè)數(shù)和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)如表2所示。

表2　柔性體有限元參數(shù)

采用Block Lanczos法來進(jìn)行模態(tài)提取工作，該方法能提取較多的模態(tài)，并且對(duì)內(nèi)存要求較低，適應(yīng)于大型模型，因此廣泛的應(yīng)用于許多大型有限元軟件。

2.2.3模態(tài)分析結(jié)果

電磁連桿第7階以后的主模態(tài)信息見表3，部分模態(tài)變形圖如圖3所示。

表3　電磁連桿主模態(tài)信息

圖3　第9階主模態(tài)

2.3建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

將在Hypermesh軟件中生成的柔性體模態(tài)中性文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中去[6]。首先將擊發(fā)機(jī)構(gòu)剛性模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中，然后采用柔性體替換剛體(Rigid To Flex)的方法分別將撥動(dòng)子駐栓、發(fā)射器推桿和電磁連桿使用相應(yīng)的柔性體進(jìn)行替換。建立好的剛?cè)狁詈夏Ｐ褪疽鈭D如圖4所示。

圖4　擊發(fā)機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ蛨D

3仿真結(jié)果及分析

圖5所示為撥動(dòng)子駐栓位移曲線圖。由圖5可知，在0.0124s時(shí)，發(fā)射器壓桿撞擊撥動(dòng)子駐栓，撥動(dòng)子駐栓在碰撞力的作用下沿炮閂向右移動(dòng)；在0.019s時(shí)，撥動(dòng)子駐栓停止移動(dòng)，最終撥動(dòng)子駐栓沒有釋放撥動(dòng)子，即本次擊發(fā)不成功。

圖5　撥動(dòng)子駐栓位移曲線圖

圖6所示為推桿位移曲線圖，由圖6可知，在0.102s時(shí)，擊發(fā)擋板撞擊發(fā)射器推桿，使發(fā)射器推桿沿發(fā)射器支架運(yùn)動(dòng)；在0.0184s時(shí)，發(fā)射器推桿速度為零，在壓桿彈簧和重力的作用下，沿發(fā)射器支架往回運(yùn)動(dòng)；在0.04s時(shí)，發(fā)射器推桿還沒有回復(fù)到初始位置。

圖6　推桿位移曲線圖

圖7為電磁連桿角速度時(shí)間曲線，在0.009s時(shí)，電磁連桿角速度達(dá)到最大，然后突然下降，這說明在這個(gè)時(shí)候，底座部件在撞擊擊發(fā)擋板，擊發(fā)擋板開始運(yùn)動(dòng)；在0.0102s時(shí)，角速度又減小，說明擊發(fā)擋板撞擊推桿，自身速度減小，阻礙了電磁連桿的運(yùn)動(dòng)；在0.0184s時(shí)，電磁連桿速度為零，在重力作用下往回運(yùn)動(dòng)。從圖7中的速度變化可以看出，在碰撞力的作用下，電磁連桿存在著柔性變形。

圖7　電磁連桿角速度

圖8為撥動(dòng)子駐栓與發(fā)射器壓桿碰撞力隨時(shí)間變化曲線，由圖可以看出，在0.0124s時(shí)，發(fā)射器壓桿撞擊撥動(dòng)子駐栓，由于撥動(dòng)子駐栓柔性的原因；在0.0125s時(shí)，碰撞力達(dá)到最大，為1342N；在0.019s時(shí)，發(fā)射器壓桿與撥動(dòng)子駐栓相分離，在壓桿彈簧的作用下往回運(yùn)動(dòng)。

圖8　撥動(dòng)子駐栓和發(fā)射器壓桿碰撞力

4結(jié)論

以某擊發(fā)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，建立了擊發(fā)機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，考慮了擊發(fā)機(jī)構(gòu)里面含有的接觸/碰撞等因素，經(jīng)仿真計(jì)算得到了擊發(fā)機(jī)構(gòu)擊發(fā)時(shí)各部件的接觸/碰撞關(guān)系，為研究擊發(fā)機(jī)構(gòu)工作過程中的力學(xué)性能提供了參考。

參考文獻(xiàn):

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[6] 李增剛. ADAMS入門詳解與實(shí)例[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2010.

Research on Dynamic Simulation of Firing Mechanism

CHEN Wei1,2, CHEN Qiu-hong3,HU You-zhang1,ZHAO Wei2,4, CHEN Yao5,

(1. Unit 73853 of PLA, Nanjing 211811,China;

2. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China;

3. Nanjing Lukou International Airport, Nanjing 211113,China; 4. Unit75250 of PLA, Guangzhou 510800,China；

5. Nanjing Military Logistics Department Information Center, Nanjing 210016, China)

Abstract:In order to study the mechanical properties of the firing mechanism, the modeling of the three Dsolid parts of the firing mechanism is established, considering the flexibility of the cocking lever sear, launcher putter and electromagnetic rod, the modal analysis is done by Hypermesh software, the modal neutral file used by the dynamic analysis software ADAMS is generated, the rigid and flexible coupling dynamics model is established and rigid and flexible coupling dynamics of the firing mechanism is analyzed. The methods and approaches of its analysis and the design of the artillery are of certain reference value.

Keywords:firing mechanism; dynamics of multi-body; rigid/flexible coupling; ADAMS

收稿日期：2015-02-25

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0092-03

作者簡介：陳偉(1986-)，男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向：高效毀傷。