，，

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

0 引言

在對(duì)藥協(xié)調(diào)臂進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)過程中藥筒有非常明顯的振顫，這與多剛體模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析得到的結(jié)果對(duì)比差異很大。

工程上對(duì)臂架系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，往往只是把臂架系統(tǒng)作為剛性體進(jìn)行分析，忽略了臂架的彈性變形以及柔性體變形對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響；但是，在較大的加速度及大載荷的情況下，臂桿會(huì)發(fā)生一定的變形，而關(guān)鍵零件的微小變形以及彈性振動(dòng)都可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響；因此，不能忽略臂架的柔性變形及彈性振動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響[1]。

因此本文準(zhǔn)備將藥協(xié)調(diào)臂模型中的雙連桿、上連接板、上支桿做成柔性體模型，將相應(yīng)的剛性桿件換成柔性桿件，然后組成剛?cè)狁詈夏Ｐ?；將仿真的結(jié)果與剛性模型仿真得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而為后來的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 藥協(xié)調(diào)臂的結(jié)構(gòu)與工作原理

當(dāng)火炮準(zhǔn)備射擊時(shí)，藥協(xié)調(diào)臂在協(xié)調(diào)油缸的驅(qū)動(dòng)下繞耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)至固定取藥位置從藥倉接取藥塊，之后在協(xié)調(diào)油缸的驅(qū)動(dòng)下使藥協(xié)調(diào)臂的大臂轉(zhuǎn)動(dòng)至與身管軸線平行的位置，然后在翻轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)下，藥協(xié)調(diào)臂上的四連桿機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)伸出，使藥筒的軸線與身管的軸線重合，然后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)臂上的鏈條將藥塊輸送至炮膛。本文研究藥協(xié)調(diào)臂在翻轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)下使藥筒的軸線與身管的軸線平行這一過程。對(duì)藥協(xié)調(diào)臂的三維模型用三維模型軟件Creo2.0畫出并組裝成總裝配圖，如圖1所示。

圖1 藥協(xié)調(diào)臂的初狀態(tài)

2 藥協(xié)調(diào)臂多剛體動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 剛性模型的動(dòng)力學(xué)仿真

將藥協(xié)調(diào)臂零件的三維模型在Creo2.0里裝配完成后，將模型保存為*.x_t格式文件并導(dǎo)入Adams中生成多剛體模型。這里要求Creo2.0中模型的單位與Adams中的單位保持一致。

在Adams中給模型添加運(yùn)動(dòng)副和載荷；為翻轉(zhuǎn)油缸設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)，設(shè)定的仿真時(shí)間為0.9 s，驅(qū)動(dòng)油缸的規(guī)律運(yùn)動(dòng)：0～0.2s速度由0加速到124 mm/s，0.2～0.7 s速度保持不變，0.7～0.9 s速度由124 mm/s減速到0；得到剛性模型運(yùn)動(dòng)過程中藥筒質(zhì)心的速度和質(zhì)心的角速度，如圖2、圖3所示。

圖2 剛性模型藥筒質(zhì)心的速度

圖3 剛性模型藥筒質(zhì)心的角速度

2.2 仿真的結(jié)果分析

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，藥筒質(zhì)心點(diǎn)在X和Z方向的速度變化平穩(wěn)，并沒有明顯的突變，在Y方向的速度為0；從圖3可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)心點(diǎn)角速度是一條光滑的曲線，并沒有明顯的突變。所以對(duì)多剛體模型進(jìn)行分析的時(shí)候，得到的結(jié)果是符合理想狀態(tài)。

3 藥協(xié)調(diào)臂剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模原理

現(xiàn)在學(xué)者們對(duì)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)建立模型時(shí)，運(yùn)用的方法可能不同，但是基本原理都是一樣的，包括剛體運(yùn)動(dòng)和變形的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述以及使用哪一種力學(xué)原理來建立模型等方面。

大范圍的剛體運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)學(xué)描述以及相對(duì)小的變形是研究剛?cè)狁詈鲜滓鉀Q的問題，運(yùn)動(dòng)學(xué)的描述取決于選擇哪一種坐標(biāo)系，常用的有浮動(dòng)標(biāo)架法、共旋標(biāo)架法和慣性標(biāo)架法，3種方法有個(gè)共同點(diǎn)，那就是要求剛?cè)狁詈夏Ｐ驮跊]有變形的情況下依然能轉(zhuǎn)化為剛體動(dòng)力學(xué)以及在沒有剛體運(yùn)動(dòng)的情況下能夠退化為變形體力學(xué)[2]。

對(duì)剛?cè)狁詈夏Ｐ徒?dòng)力學(xué)模型有很多種方法，最常用的有第二類拉格朗日方程、哈密爾頓原理、牛頓-歐拉方程等；對(duì)于臂架系統(tǒng)主要采用的是第二類拉格朗日方程，因?yàn)檫@個(gè)方法可以方便借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。將臂架系統(tǒng)的動(dòng)能Ek及勢能Ep相差定義為拉格朗日函數(shù)為：

L=Ek-Ep

(1)

因此，系統(tǒng)的拉格朗日方程可表示為：

(2)

3.2 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h3>

用Adams建立剛?cè)狁詈夏Ｐ鸵话愣际窍仁褂霉δ軓?qiáng)大的有限元分析軟件如ANSYS、ABAQUS等來建立復(fù)雜零件的柔性體，生成格式為.mnf的模態(tài)中性文件，然后在原有剛體模型的基礎(chǔ)上，將相應(yīng)的剛性體用已生成的柔性體替換，再重新施加載荷和約束便得到了剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

將文中已在Creo2.0中建立好的零件模型導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)置模型的密度、彈性模量、泊松比等參數(shù)，對(duì)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在零件需要與其他零件相連接的部位建立剛性區(qū)域，剛性區(qū)域定義了各鉸接點(diǎn)與相關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的力與位移關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)在Adams剛?cè)狁詈戏抡嬷羞\(yùn)動(dòng)與力的傳遞[4]。

(3)

Fij=ljFi,i=x,y,z,j=1,2,,n

(4)

Ui表示剛性節(jié)點(diǎn)的總位移;Uij表示j節(jié)點(diǎn)在i方向的位移；kj表示j節(jié)點(diǎn)對(duì)Ui的影響因數(shù)，該因數(shù)與剛性節(jié)點(diǎn)周圍節(jié)點(diǎn)的位置相關(guān)；Fi為剛性區(qū)域在i方向上的受力；lj為j節(jié)點(diǎn)對(duì)剛性節(jié)點(diǎn)受力的影響因數(shù)，該因數(shù)與剛性節(jié)點(diǎn)與周圍節(jié)點(diǎn)的位置相關(guān)；i表示三維坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)方向；j表示剛性節(jié)點(diǎn)相連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)[5]。其中，構(gòu)件的模態(tài)決定了kj與li，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位移和實(shí)際受力是模態(tài)的按照一定比例的疊加，通過系數(shù)kj與系數(shù)li描述這種比例關(guān)系，如果系數(shù)kj與系數(shù)li越大，則模態(tài)對(duì)構(gòu)件總位移或受力的貢獻(xiàn)量就越多[6]。這樣通過ANSYS計(jì)算就可以得到Adams所需要的格式為.mnf的模態(tài)中性文件，如圖4～圖6所示。這里需要保證在ANSYS中生成的模態(tài)中性文件的單位與Adams中單位相統(tǒng)一。將生成的模態(tài)中性文件導(dǎo)入Adams中替換相應(yīng)的剛性零件，就得到剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

圖4 上連接板柔性體及剛性區(qū)域模型

圖5 上支桿柔性體及剛性區(qū)域模型

圖6 雙連桿柔性體及剛性區(qū)域模型

3.3 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆抡?/h3>

對(duì)剛?cè)狁詈夏Ｐ褪┘优c多剛體模型同樣的驅(qū)動(dòng)，得出的結(jié)果，如圖7和圖8所示。

圖7 剛?cè)狁詈夏Ｐ退幫操|(zhì)心的速度

圖8 剛?cè)狁詈夏Ｐ退幫操|(zhì)心的角速度

3.4 多剛體與剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娼Y(jié)果對(duì)比分析

將圖2和圖7對(duì)比，在同樣的驅(qū)動(dòng)下，多剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ偷乃幫操|(zhì)心的速度的整體變化規(guī)律相同，但是在剛?cè)狁詈夏Ｐ拖碌腪方向(豎直方向)的速度波動(dòng)明顯比較大，這也解釋了藥協(xié)調(diào)臂在實(shí)際試驗(yàn)過程中的振顫現(xiàn)象。圖3和圖8分別表示剛性模型下藥筒和剛?cè)狁詈夏Ｐ拖滤幫驳慕撬俣龋蓪?duì)比看出，剛性模型下藥筒角速度變化非常平穩(wěn)，剛?cè)狁詈夏Ｐ拖碌乃幫步撬俣茸兓l率非常高，波動(dòng)幅度非常大，有非常明顯的突變。

仿真結(jié)果表明，臂桿實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中彈性變形和彈性振動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響是非常大的，因此在對(duì)臂架系統(tǒng)進(jìn)行分析的時(shí)候最好把關(guān)鍵部位的零件作為柔性體來考慮；同時(shí)結(jié)果也表明剛?cè)狁詈夏Ｐ团c工程實(shí)際更加接近。

4 結(jié)束語

通過聯(lián)合三維建模軟件Creo2.0、有限元分析軟件ANSYS以及多體動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams對(duì)某藥協(xié)調(diào)臂進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析，得到了藥協(xié)調(diào)臂在剛?cè)狁詈蠣顟B(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；對(duì)比發(fā)現(xiàn)，如果把機(jī)械系統(tǒng)簡化為多剛體模型，則得到的仿真結(jié)果是理想化的與實(shí)際情況相差較大，而運(yùn)用剛?cè)狁詈夏Ｐ透咏咏鼘?shí)際工程情況。對(duì)藥協(xié)調(diào)臂采用剛?cè)狁詈戏治?，后續(xù)可以輸出ANSYS所需要的載荷文件(.lod文件)，載荷文件記錄了運(yùn)動(dòng)過程中柔性體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受到的載荷，將載荷文件導(dǎo)入到ANSYS中得到各個(gè)零件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布及時(shí)變的節(jié)點(diǎn)力，為結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化提供了理論依據(jù)。