郝馳宇， 馮廣斌， 閆鵬程， 孫華剛， 劉　超

(1．軍械工程學(xué)院，石家莊　050003；2．軍械技術(shù)研究所，石家莊　050003；3. 92853部隊(duì)，葫蘆島　125100)

?

基于MFBD的輸彈機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模及仿真分析

郝馳宇1,2， 馮廣斌2， 閆鵬程2， 孫華剛2， 劉超3

(1．軍械工程學(xué)院，石家莊050003；2．軍械技術(shù)研究所，石家莊050003；3. 92853部隊(duì)，葫蘆島125100)

針對(duì)某自行火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)中的開式鏈傳動(dòng)輸彈機(jī)，為了掌握其工作過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性和關(guān)鍵構(gòu)件的受力情況，利用RecurDyn軟件建立了輸彈機(jī)多剛體動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校核所建模型的合理性，得到了輸彈行程中鏈條的動(dòng)力學(xué)特性；之后基于多柔體動(dòng)力學(xué)(MFBD，Multi-Flexible-Body Dynamics)技術(shù)完成對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的柔性化，建立了輸彈機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，得出了不同位置構(gòu)件在輸彈行程中的應(yīng)力云圖，通過(guò)分析確定了危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，分析結(jié)果對(duì)輸彈機(jī)的故障機(jī)理、故障演化規(guī)律及疲勞性能研究等提供了依據(jù)。

輸彈機(jī)；多柔體動(dòng)力學(xué)(MFBD)；剛?cè)狁詈?；RecurDyn

輸彈機(jī)是自行火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)將彈丸或藥筒迅速可靠地輸送到炮膛之內(nèi)，但由于輸彈機(jī)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、工作沖擊載荷大、工作環(huán)境封閉不便于保養(yǎng)等特點(diǎn)，使其成為自動(dòng)裝填系統(tǒng)中故障率較高的子系統(tǒng)[1]。

在自動(dòng)填裝系統(tǒng)的輸彈機(jī)構(gòu)中存在兩種形式的鏈條傳動(dòng)，一種是研究較多的旋轉(zhuǎn)閉式鏈傳動(dòng)[2-3]，另外一種是研究較少的開式鏈傳動(dòng)，主要用作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，這種鏈條的建模相對(duì)復(fù)雜，目前僅對(duì)其有過(guò)一定的理論研究[4]，而針對(duì)其動(dòng)力學(xué)建模、仿真及相關(guān)特性的研究較少。本文針對(duì)某自行火炮的開式鏈傳動(dòng)輸彈機(jī)，建立其多剛體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真并根據(jù)實(shí)裝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到了這種開式輸彈鏈條的動(dòng)力學(xué)特性。

而在工程實(shí)際中，多體系統(tǒng)的部件在運(yùn)行過(guò)程中不存在絕對(duì)的剛性體，肯定會(huì)表現(xiàn)出一定的柔性體特征，剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)建?？梢愿鎸?shí)的模擬機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)[5-7]。本文中在建立可信的輸彈機(jī)多剛體動(dòng)力學(xué)模型后，基于多柔體動(dòng)力學(xué)(MFBD)技術(shù)，利用RecurDyn中創(chuàng)新的FFLex(有限元柔性體)模塊，對(duì)其關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行柔性化建模，建立了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型，分析仿真結(jié)果得到了關(guān)鍵構(gòu)件在輸彈行程中的受力情況，為其危險(xiǎn)位置的確定和故障機(jī)理的分析提供了參考依據(jù)。

1　輸彈機(jī)結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)行原理

該輸彈機(jī)為電控液壓驅(qū)動(dòng)鏈條式輸彈機(jī)，由齒輪箱體、鏈盒、鏈條、推殼機(jī)構(gòu)、測(cè)速裝置和手動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1　輸彈機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Basic structure of ramming mechanism

如圖2所示，本文研究的輸彈機(jī)鏈條是首尾不相接的開式鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不工作時(shí)鏈條在鏈盒中呈柔性體，而在輸彈行程中鏈條經(jīng)過(guò)卡鎖機(jī)構(gòu)時(shí)，相鄰鎖爪及內(nèi)外鏈板端面閉合，輸彈鏈條閉鎖成為剛性桿推動(dòng)彈丸快速入膛，輸彈行程到位時(shí)，末位行程開關(guān)控制鏈條回收，收鏈過(guò)程中剛性鏈條經(jīng)過(guò)解鎖機(jī)構(gòu)時(shí)解鎖，收鏈到位后液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2　輸彈機(jī)工作原理Fig.2 Working principle of ramming mechanism

2　剛?cè)狁詈夏Ｐ偷膭?dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)

2.1基于RecurDyn的多體動(dòng)力學(xué)理論

韓國(guó)開發(fā)的多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn，基于相對(duì)坐標(biāo)系動(dòng)力學(xué)方程理論，采用的完全遞歸算法可以完成復(fù)雜機(jī)械運(yùn)動(dòng)的仿真與受力分析，在處理復(fù)雜多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)上，尤其是在求解大規(guī)模、高速及剛性問(wèn)題時(shí)，其求解速度和效率要優(yōu)于傳統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)軟件[8]?；谙鄬?duì)坐標(biāo)系開發(fā)的RecurDyn軟件的詳細(xì)理論公式參見文獻(xiàn)[9]。

在絕對(duì)坐標(biāo)系中物體的速度可以表示為：

(1)

式中：nc為絕對(duì)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)數(shù)

在相對(duì)坐標(biāo)系中物體的速度可以表示為：

(2)

式中：nr為絕對(duì)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)數(shù)

因此所有物體的笛卡爾速度可以通過(guò)如下形式獲得：

(3)

式中：系數(shù)矩陣B可以用相對(duì)坐標(biāo)來(lái)表達(dá)。

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可從第一類拉格朗日方程獲得：

(4)

2.2柔性體運(yùn)動(dòng)方程

如圖3所示，柔性體上的任一點(diǎn)P的位置向量為：

r=r0+A(sp+uP)

(5)

式中：r為P點(diǎn)在慣性坐標(biāo)系中的向量；r0為相對(duì)坐標(biāo)系原點(diǎn)在慣性坐標(biāo)系中的向量；A為方向余弦矩陣；sp為柔性體未變形時(shí)P點(diǎn)在相對(duì)坐標(biāo)系中的向量；uP為相對(duì)變形向量。如下式，uP可采用模態(tài)坐標(biāo)來(lái)描述：

圖3　柔性體變形模型Fig.3 Deformation model of flexible body

(6)

式中：Φp為變形模態(tài)矩陣；qf為變形的廣義坐標(biāo)。因此，柔性體上任一點(diǎn)的速度向量及加速度向量為：

(7)

(8)

2.3柔性體動(dòng)力學(xué)方程

考慮節(jié)點(diǎn)P變形前后的位置、方向和模態(tài)，柔性體的廣義坐標(biāo)可表示為：

ξ=[xyzψθφqi]T=[rψq]

(i=1,2,…,M)

(9)

柔性體的動(dòng)力學(xué)方程由拉格朗日方程導(dǎo)出：

(10)

式中：Ψ為約束方程；λ為對(duì)應(yīng)于約束方程的拉氏乘子；ξ為如式(9)定義的廣義坐標(biāo)；Q為投影到ξ的廣義力；L為拉格朗日項(xiàng)，定義為L(zhǎng)=T-W，T和W分別表示動(dòng)能和勢(shì)能，Γ表示能量損耗函數(shù)。則最終的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(11)

2.4MFBD技術(shù)

MFBD(Multi-Flexible-Body Dynamics)技術(shù)采用節(jié)點(diǎn)法對(duì)傳統(tǒng)的模態(tài)縮減法進(jìn)行了補(bǔ)充擴(kuò)展，將多體動(dòng)力學(xué)和有限元分析兩個(gè)單獨(dú)的領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)，克服了傳統(tǒng)模態(tài)縮減法的弊端，能夠精確表達(dá)接觸力引起的局部變形，并能夠表達(dá)柔性體累計(jì)的非線性變形，可以有效地求解機(jī)構(gòu)的大變形及非線性的問(wèn)題，結(jié)合其強(qiáng)大的接觸分析能力還可以實(shí)現(xiàn)“剛-柔”“柔-柔”等復(fù)雜接觸的建模與分析問(wèn)題[10]。在分析的過(guò)程中，可以得到結(jié)構(gòu)柔性體上節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化的過(guò)程。

在對(duì)輸彈機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)進(jìn)行分析時(shí)，需要計(jì)算輸彈機(jī)構(gòu)件在時(shí)變載荷作用下的接觸力和應(yīng)力。因此采用MFBD技術(shù)能夠精確地處理柔性體之間以及柔性體與剛體之間的接觸問(wèn)題，同時(shí)能夠直接得到構(gòu)件中相關(guān)的應(yīng)力結(jié)果。

3　輸彈機(jī)多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立

3.1多剛體模型的建立

利用三維建模軟件建立輸彈機(jī)部件的三維模型并進(jìn)行裝配，之后導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn中，然后根據(jù)其拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行約束和接觸的添加[11]，在RecurDyn中建立的模型如圖4所示。

圖4　RecurDyn中的動(dòng)力學(xué)模型Fig.4 Dynamic model in RecurDyn

3.2驅(qū)動(dòng)力的添加

根據(jù)輸彈機(jī)構(gòu)液壓傳動(dòng)原理及其數(shù)學(xué)模型[12]，利用AMESim仿真軟件建立輸彈機(jī)構(gòu)液壓模型如圖5所示。

輸彈機(jī)的機(jī)械動(dòng)作取決于兩個(gè)電磁閥的先后工作狀態(tài)，兩個(gè)電磁閥都是二位四通的[1]。輸彈時(shí)，1#電磁閥工作，大、小泵泵出的液壓油經(jīng)過(guò)油濾后，進(jìn)入液壓馬達(dá)，再經(jīng)過(guò)2#電磁閥、集流盤和回油管路回油箱，此時(shí)液壓馬達(dá)工作，完成輸彈動(dòng)作；當(dāng)輸彈行程結(jié)束時(shí)，1#電磁閥斷電，2#電磁閥工作，液壓馬達(dá)反向工作，帶動(dòng)輸彈鏈?zhǔn)栈氐芥満挟?dāng)中。

圖5　輸彈機(jī)液壓仿真模型Fig.5 Hydraulic simulation model

利用RecurDyn和AMESim之間的接口模塊，將液壓驅(qū)動(dòng)添加到已建立的輸彈機(jī)動(dòng)力學(xué)模型中，根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行仿真。

3.3仿真結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證

在建立輸彈機(jī)多剛體動(dòng)力學(xué)模型后，如圖6所示，需要利用實(shí)裝試驗(yàn)來(lái)對(duì)模型進(jìn)行校核，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行修改完善，在保證其可信度的基礎(chǔ)上才能應(yīng)用于工程實(shí)際當(dāng)中[13]。

圖6　仿真模型校核流程Fig.6 Checking process of simulation model

輸彈機(jī)的作用就是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)推動(dòng)彈丸快速入膛，所以本節(jié)中分別利用彈丸加速度以及在不同射角下輸彈行程完成時(shí)間的仿真值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性來(lái)評(píng)價(jià)動(dòng)力學(xué)模型的可信度。

在利用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型修正時(shí)，需要考慮的因素有：① 三維模型的修正：包括零部件的外形尺寸、材料屬性等；② 約束和接觸關(guān)系的校核：零部件之間的拓?fù)潢P(guān)系(約束和邊界條件)、接觸參數(shù)等；③ 仿真參數(shù)的設(shè)定，時(shí)間、步長(zhǎng)/終止條件等。

輸彈機(jī)安裝在自動(dòng)裝填系統(tǒng)防護(hù)艙的后部和下部，如圖7所示，可以看出整個(gè)自動(dòng)裝填系統(tǒng)內(nèi)部空間狹小，工作環(huán)境惡劣，而且在輸彈過(guò)程系統(tǒng)始終處于強(qiáng)烈的沖擊與振動(dòng)環(huán)境中，因此在噪聲大、屏蔽嚴(yán)重的自行火炮內(nèi)部空間內(nèi)，很難利用傳統(tǒng)的有線傳感器對(duì)輸彈機(jī)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，故選擇采用存儲(chǔ)式無(wú)線傳感器，對(duì)輸彈機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)開展研究。

圖7　輸彈機(jī)安裝位置Fig.7 Installation site of ramming mechanism

無(wú)線傳感器具有安裝布置方便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)無(wú)線的連接也可以避免不同傳感器之間相互干擾的問(wèn)題，利用無(wú)線傳感器可以對(duì)整個(gè)輸彈行程進(jìn)行線上的實(shí)時(shí)檢測(cè)，解決了有線傳感器無(wú)法對(duì)輸彈機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)所需無(wú)線傳感器固定在模擬彈丸內(nèi)部，主要用于采集輸彈行程中彈丸的加速度信號(hào)，選取的無(wú)線傳感器如圖8所示，其主要參數(shù)如表1所示。

表1　無(wú)線傳感器主要參數(shù)

圖8　無(wú)線傳感器Fig.8 Wireless sensor

圖9　0°射角下彈丸加速度實(shí)驗(yàn)值與仿真值的比較Fig.9 Data comparison between simulation and experiment in projectileacceleration at 0° shooting angle

從圖9中可以看出，輸彈行程中彈丸加速度的實(shí)驗(yàn)值中存在著大量的噪聲，但相比于仿真值的數(shù)值變化趨勢(shì)基本吻合，可以反映實(shí)際機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特征，且彈丸的沖擊性加速度的仿真值較大，這是由于在建模過(guò)程中對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，仿真時(shí)也忽略了部分的摩擦導(dǎo)致的，但是相差值不大，可以說(shuō)明該模型具有較高的可信度。

表2　試驗(yàn)值與仿真值的數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定輸彈機(jī)輸彈時(shí)間，而輸彈動(dòng)作的時(shí)間值是存在離散性的，這是由于系統(tǒng)各動(dòng)力學(xué)參數(shù)、載荷、邊界條件的隨機(jī)分布等因素造成的，在表2中為多次測(cè)量數(shù)據(jù)的區(qū)間值，利用這些實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)比較來(lái)對(duì)輸彈機(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行可信度的驗(yàn)證。從表中可以看出在三種不同射角下，輸彈行程時(shí)間的仿真值都在試驗(yàn)所測(cè)得的區(qū)間內(nèi)，因此可以說(shuō)明建立的輸彈機(jī)動(dòng)力學(xué)模型是可信的。

4　輸彈機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的建立

4.1剛?cè)狁詈夏Ｐ蛣?dòng)力學(xué)分析方法

RecurDyn中存在兩種柔性體模塊[14]：RFlex(模態(tài)柔性體)和FFLex(有限元柔性體)，其中RFLex是利用模態(tài)縮減法，將在有限元程序中計(jì)算出的模態(tài)參數(shù)來(lái)代替系統(tǒng)中的剛性體；而FFLex采用RecurDyn創(chuàng)新的完全柔性體技術(shù)，只需對(duì)剛體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，無(wú)需進(jìn)行模態(tài)分析，自動(dòng)調(diào)用RecurDyn中的有限元程序進(jìn)行分析。

建筑裝飾裝修設(shè)計(jì)人員要運(yùn)用綠色環(huán)保設(shè)計(jì)理念，結(jié)合裝飾裝修設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，合理融入與綠色環(huán)保有關(guān)的裝修裝飾理念，制定出更為科學(xué)的解決措施，不斷減少建筑室內(nèi)裝飾裝修施工所帶來(lái)的環(huán)境污染。在進(jìn)行建筑室內(nèi)裝飾裝修設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)管理，并妥善布局，結(jié)合建筑室內(nèi)裝飾裝修材料的使用現(xiàn)狀，展開科學(xué)討論。例如，在該建筑裝飾裝修設(shè)計(jì)過(guò)程之中，選擇采用地板磚還是木地板，才能夠保證建筑室內(nèi)地面裝修裝飾效果達(dá)到最好。在建筑室內(nèi)墻面裝飾裝修過(guò)程當(dāng)中，采用壁紙還是墻面漆，能夠獲取最佳的裝飾效果。

RFLex只需將有限元程序中的網(wǎng)格模型縮減成模態(tài)信息，計(jì)算簡(jiǎn)單易行，但是其缺點(diǎn)也很明顯，構(gòu)件之間的接觸只能通過(guò)虛擬的點(diǎn)來(lái)搭建，模態(tài)柔性體變形后需要在外部有限元程序中進(jìn)行模態(tài)的更新，這很難實(shí)現(xiàn)。而本文所選用的FFLex相對(duì)于RFLex有明顯的優(yōu)勢(shì)，柔性體模型的修改只需重新進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，而且由于變形是利用柔性體節(jié)點(diǎn)上的相對(duì)變形來(lái)描述，所以可以考慮柔性體的大變形、非線性等非線性變形的積累。

前一節(jié)中建立的輸彈機(jī)多剛體動(dòng)力學(xué)模型主要采用接觸副描述內(nèi)外鏈板、鎖爪、銷軸等部件之間的相互作用關(guān)系，因此不滿足采用模態(tài)縮減法建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的條件，因此本節(jié)中將輸彈機(jī)的關(guān)重件-鏈板柔性化，基于多柔體動(dòng)力學(xué)(MFBD)技術(shù)，研究采用有限元柔性體(FFLex)建立輸彈機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的方法。

圖10　剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析流程Fig.10 Process of rigid-flexible coupled simulation

本文提出一種利用三維建模軟件SolidWorks，有限元分析軟件ANSYS及多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn,建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型的方法，搭建了剛?cè)崮Ｐ蛣?dòng)力學(xué)分析的框架，利用軟件之間的接口程序可以快速的建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，分析流程圖如圖10所示[5]。

4.2柔性化關(guān)鍵部件的受力分析

圖11為輸彈機(jī)鏈板的受力圖，在輸彈行程中，相鄰鏈板由兩端銷軸連接，隨著鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，相鄰鏈板兩端面閉合形成剛性桿，推動(dòng)彈丸進(jìn)入炮膛中。所以鏈板受力由兩部分組成，第一部分是連接相鄰兩個(gè)鏈板間的銷軸力Fr，第二部分是相鄰兩個(gè)鏈板端面閉合形成的壓力Ft。

圖11　鏈板的受力分析Fig.11 Stress analysis of chain plate

4.3剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

在ANSYS經(jīng)典環(huán)境中完成材料屬性的設(shè)置后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以通過(guò)“CDWRITE”命令生成相應(yīng)模型的*cbd文件[14]。圖12為鏈板的有限元模型。

圖12　鏈板有限元模型的網(wǎng)格劃分Fig.12 Meshing of chain plate finite element m odel

將鏈板的有限元模型導(dǎo)入到RecurDyn中替換原有的構(gòu)件之后，原有構(gòu)件的接觸及約束關(guān)系都會(huì)消失，需要對(duì)有限元模型進(jìn)行進(jìn)一步的處理。根據(jù)圖11所示鏈板在輸彈行程中的受力情況，與鏈板發(fā)生作用的有在兩端接觸并閉合的鏈板、鎖爪及連接相鄰鏈板間的銷軸，利用FFLex/mesher將有限元模型進(jìn)行修改，見圖13。

圖13　鏈板有限元模型的修改Fig.13 Modification of chain plate finite element model

(1) 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)集和剛性FDR單元代替原剛性鏈板與銷軸之間的旋轉(zhuǎn)副；

為了獲取不同位置處鏈板的受力情況，分別選取鏈條頭部的1號(hào)鏈板，中部的20號(hào)鏈板，尾部的40號(hào)鏈板進(jìn)行柔性化，建立完整的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D14所示。

圖14　輸彈機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.14 Ramming mechanism rigid-flexible coupled model

5　仿真結(jié)果分析

5.1多剛體動(dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果分析

選取輸彈射角為30°，設(shè)定步長(zhǎng)為0.005 s，及其重力，根據(jù)實(shí)際工況要求，設(shè)定終止條件(stop condition)為鏈條頭橫向伸出2 250 mm，采用DDASSL積分器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解(Dynamic Analysis)。

圖15　鏈條頭的位移、速度、加速度曲線Fig.15 Displacement, velocity and acceleration curve

之后利用仿真結(jié)果進(jìn)行輸彈行程動(dòng)力學(xué)特性的分析，如圖15所示為鏈條的位移、速度及加速度的特性曲線，表3為前0.5 s中鏈條與鏈輪切向速度的比較，可以看出：

表3　鏈輪切向速度與鏈條速度比較

在鏈條頭位移連續(xù)增加的同時(shí)，鏈條頭的速度與加速度曲線是上下波動(dòng)的，并且鏈頭推彈的速度不等同于鏈輪的切向速度，這說(shuō)明鏈條的運(yùn)動(dòng)是不穩(wěn)定的。這種不穩(wěn)定性是由于鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)造成的，當(dāng)主動(dòng)鏈輪以平穩(wěn)的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，節(jié)圓和節(jié)線的多邊形不重合，導(dǎo)致從動(dòng)的滾子帶動(dòng)鏈條的速度及加速度均不是平穩(wěn)變化的[15]。

圖16　鏈板間的碰撞力曲線Fig.16 Collision force curve between chain plate

由圖16(其中端面1為靠近鏈條頭部的端面，端面2為靠近鏈條尾部的端面)中可以看出，輸彈機(jī)在高速重載的環(huán)境下，鏈條的多邊形效應(yīng)以及鏈條頭與彈丸的周期性沖擊造成了輸彈機(jī)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間在短時(shí)間內(nèi)存在的較大的沖擊載荷，這樣大的沖擊載荷會(huì)增大接觸構(gòu)件之間的磨損，加大系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，降低傳動(dòng)的效率，在長(zhǎng)期運(yùn)行后可能會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)失效等問(wèn)題[16]。

5.2剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果分析

在RecurDyn中，可以直觀的看到柔性化構(gòu)件的受力情況，圖17為不同位置的柔性化鏈板在輸彈行程中出現(xiàn)峰值時(shí)刻的應(yīng)力圖。

圖17　不同位置鏈板的應(yīng)力圖Fig.17 Chain plate stress diagram in different positions

從圖16和圖17中可以看出：

(1) 從時(shí)間上來(lái)看，鏈板所受應(yīng)力的極值點(diǎn)都在0.9～1.1 s之間，這是因?yàn)樵谳攺椥谐棠┢阪湕l的速度急速下降，造成鏈條內(nèi)部的動(dòng)載荷急劇增大；

(2) 1號(hào)鏈板的應(yīng)力值最大，20號(hào)鏈板次之，40號(hào)鏈板最小，這是因?yàn)?號(hào)鏈板在鏈條頭部，鏈條頭在整個(gè)行程中與彈丸底部存在著反復(fù)的沖擊性載荷，導(dǎo)致其應(yīng)力較大，而20號(hào)和40號(hào)鏈板分別在鏈板的中部和尾部，受到的沖擊載荷相對(duì)較小，

(3) 從應(yīng)力的分布來(lái)看，鏈板的中下部受力較大，危險(xiǎn)點(diǎn)在鏈板的中部，但由于銷軸與鏈板之間存在持續(xù)的接觸及摩擦碰撞，所以鏈板最易受損的位置應(yīng)該是鏈板與銷軸接觸的銷軸孔內(nèi)表面。

6　結(jié)　論

(1) 利用多體力學(xué)仿真軟件RecurDyn建立起完整的開式鏈傳動(dòng)輸彈機(jī)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，驗(yàn)證得到的模型是可信的。

(2) 模擬實(shí)際工況下進(jìn)行仿真，得到了輸彈鏈條在輸彈行程中的動(dòng)力學(xué)特性，多邊形效應(yīng)造成開式鏈傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性與沖擊載荷，而鏈條頭和彈丸的沖擊加大了鏈板之間的沖擊載荷。

(3) 基于多柔體動(dòng)力學(xué)理論(MFBD)，結(jié)合有限元軟件ANSYS，搭建了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析的框架，建立起了輸彈機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，得到了鏈板在輸彈行程中的受力情況，確定了危險(xiǎn)點(diǎn)的位置在鏈板的中下部，最易受損的部位為鏈板與銷軸接觸的銷軸孔內(nèi)表面，結(jié)果為輸彈機(jī)故障機(jī)理分析和下一步的故障仿真及疲勞分析提供了一定的依據(jù)。

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Rigid-flexible coupled dynamic modeling and simulation for a ramming mechanism based on MFBD

HAO Chiyu1,2, FENG Guangbin2, YAN Pengcheng2, SUN Huagang2, LIU Chao3

(1. Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China; 2. Ordnance Technical Research Institute, Shijiazhuang 050003, China; 3. PLA 92853 Troop, Huludao 125100, China)

In order to clarify dynamic characteristics and key component force bearing conditions of a ramming mechanism for an automatic loading system of a certain artillery, its multi-rigid-body dynamic model was established with RecurDyn. Then dynamic characteristics of the ramming mechanism were obtained through simulations and experimental data were used to check and ensure the model’s credibility. Based on MFBD(multi-flexible-body dynamics), the rigid-flexible coupled dynamic model of the ramming mechanism was established after completing flexibility of key components, the stress diagrams of key components in ramming process were obtained to determine the dangerous point location. The analysis results provided a guidance for studying failure mechanism, fault evolution law and fatigue property of ramming mechanisms.

ramming mechanism; multi-flexible-body dynamics; rigid-flexible coupled; Recur Dyn

裝備預(yù)研基金(9140A27020215JB40002)

2015-03-25修改稿收到日期：2015-07-06

郝馳宇 男，博士生，1991年8月生

馮廣斌 男，博士 研究員，1965年4月生

TH132.45; TP319; TJ3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.15.027