某擊發(fā)機構動(dòng)力學(xué)仿真研究

信息技術(shù)陳偉,等·某擊發(fā)機構動(dòng)力學(xué)仿真研究某擊發(fā)機構動(dòng)力學(xué)仿真研究陳偉12,陳秋紅,胡有璋,趙威24,陳瑤°(1.中國人民解放軍73853部隊江蘇南京2118112.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇南京210094;3.南京祿口國際機場(chǎng)江蘇南京2111134.中國人民解放軍75250部隊廣東廣州510800;5.南京軍區聯(lián)勤部信息中心,江蘇南京210016)摘要:為了研究擊發(fā)機構的力學(xué)特性,對擊發(fā)機構零部件進(jìn)行三維實(shí)體建模,考慮撥動(dòng)子駐栓、發(fā)射器推桿和電磁連杄的柔性,利用 Hypermesh軟件對它們進(jìn)行模態(tài)分析,生成可被動(dòng)力學(xué)分析軟件 ADAMS調用的模態(tài)中性文件,建立擊發(fā)機構剛柔耦合動(dòng)力學(xué)模型,對擊發(fā)機構進(jìn)行了剛柔耦合動(dòng)力學(xué)分析和對擊發(fā)機構機理分析使用方法與手段,分析結果對于火炮擊發(fā)機構的設計具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:擊發(fā)機構;多體動(dòng)力學(xué);剛柔耦合; ADAMS中圖分類(lèi)號:TP391.9文獻標志碼:B文章編號:1671-5276(2015)03-0092-03Research on Dynamic Simulation of Firing MechanismCHEN Wei"2, CHEN Qiu-hong, HU You-zhang, ZHAO Wei, CHEN Yao(1. Unit 73853 of PLA, Nanjing 211811, China2. 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, ChinaAbstract: In order to study the mechanical properties of the firing mechanism, the modeling of the three Solid parts of the firingmechanism is established, considering the flexibility of the cocking lever sear, launcher putter and electromagnetic rod, the modal a-nalysis is done by Hypermesh software, the modal neutral file used by the dynamic analysis software ADAMS is generated, the rigidand flexible coupling dynamics model is established and rigid and flexible coupling dynamics of the firing mechanism is analyzed. Themethods and approaches of its analysis and the design of the artillery are of certain reference valueKeywords: firing mechanism; dynamics of multi-body rigid/flexible coupling; ADAMS0引言擊發(fā)機構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。擊發(fā)機構包含部件眾多,且各部件在工作過(guò)程中存在復雜的接觸和碰撞關(guān)系,因此獲取擊發(fā)機構工作時(shí)各部件實(shí)際的運動(dòng)情況,將會(huì )為擊發(fā)機構的結構設計和性能改善提供重要依據1擊發(fā)機構工作原理研究的擊發(fā)機構是擊錘式擊發(fā)機構,采用電磁擊發(fā)圖1擊發(fā)機構三維裝配圖和手動(dòng)機械擊發(fā)兩種擊發(fā)方式,其中手動(dòng)機械擊發(fā)方式和電磁擊發(fā)方式原理基本相同,現僅對采用電磁擊發(fā)方撞擊炮尾中的發(fā)射器推桿一撞擊發(fā)射器杠桿一撞擊炮閂式時(shí)擊發(fā)機構的運動(dòng)情況進(jìn)行分析。擊發(fā)機構結構如中的撥動(dòng)子駐栓一解脫撥動(dòng)子一釋放擊錘彈簧和擊發(fā)擊圖1所示錘一撞擊擊針工作原理為2:按壓電磁鐵擊發(fā)按鈕一擊發(fā)配電盒—擊發(fā)電磁鐵—電磁鐵推動(dòng)電磁桿—撞擊擊發(fā)擋板一TH中國煤化工CNMHG作者簡(jiǎn)介:陳偉(1986-),男,安徽阜陽(yáng)人,碩士研究生,研究方向:高效毀傷ZZHDournal. net. cn E-mlil:ZzHD@ chainajournal. netcn《機械制造與自動(dòng)化》信息技術(shù)陳偉,等·某擊發(fā)機構動(dòng)力學(xué)仿真研究2擊發(fā)機構動(dòng)力學(xué)仿真[M]{x(t)}+[C]{x(1)}+[K]{x(t)}={0}(2)由于系統在自由振動(dòng)時(shí)F(t)=0,阻尼對結構的固有頻率和振型影響很小,因此可以去掉阻尼項,得到?jīng)]考慮2.1擊發(fā)機構剛柔耦合建模流程設計阻尼系統的自由振動(dòng)方程,如式(3)所示:為了充分模擬擊發(fā)機構的工作過(guò)程,在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建[M]{x(t)}+[K]{x(t)}={0}模時(shí)應該充分考慮系統部件本身的材料和結構所具有的2)結構的固有頻率和振型彈性對系統運動(dòng)產(chǎn)生的影響。故將擊發(fā)機構所有的部件在實(shí)際的應用中,可以把結構的自由振動(dòng)看成是都作為剛性部件處理是不符合實(shí)際的。在本擊發(fā)機構中,由一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加組成,因此要得到結構自由考慮到撥動(dòng)子駐栓、發(fā)射器推桿、電磁連桿的柔性對仿真振動(dòng)的固有頻率及振型,可以考慮如式(4)所示簡(jiǎn)諧振結果影響比較大,故將這3個(gè)部件進(jìn)行柔性處理。建立該動(dòng)的解擊發(fā)機構剛柔耦合模型的流程如圖2所示。X(1)|={φl(shuí)sin(ot)其中:{q}與時(shí)間t無(wú)關(guān),只是表示位移{X(t)}的振幅列在 SOLIDWORKS中建立三維實(shí)體模型向量;ω表示固有頻率。將式(4)代入式(5)可得([K]-o2[M]){q}=0在 Hypermesh中手動(dòng)劃分有限元網(wǎng)格由式(5)可知,只要能夠把方程的廣義特征值和廣義特征向量求解出來(lái),就能夠知道結構的固有頻率和振型使用 Hypermesh進(jìn)行模態(tài)分析求得的a和{q}就是結構的固有頻率以及在此固有頻率下的振型。在 Hypermesh中生mn成模態(tài)中性文件由經(jīng)驗可知,物體的密度p>0,[M]是對稱(chēng)正定矩陣,沒(méi)有作處理時(shí)[K]是對稱(chēng)半正定陣。不過(guò),假如在實(shí)際問(wèn)在 ADAMS中用柔性部件將剛性部件替換題中有位移約束條件,矩陣[K]經(jīng)過(guò)處理后就是正定在 ADAMS中進(jìn)行柔耦合試驗A=o代人式(5)可得結果滿(mǎn)意修改相關(guān)參數([K]-A[M])|p|=0由線(xiàn)性代數理論可知,{q}為非零向量,方程(7)有結果分析充要解的條件是行列式[K]-A[M]=0。假如[K]為N階矩陣,那么式(7)就是特征值A的N圖2擊發(fā)機構剛柔耦合模型建模流程圖次代數方程,由此可以確定N個(gè)廣義特征值A(i=1n)。若[K]是對稱(chēng)正定陣,A就是正實(shí)數,因此彈性體的2.2柔性部件模態(tài)分析N個(gè)固有頻率可以由式(6)得到在進(jìn)行柔性多體系統動(dòng)力學(xué)分析時(shí),首先要計算構件在ω=√A1(i=1,…,N)不計阻尼情況下的固有頻率和振型。主振動(dòng)模態(tài)或者振型其中:N是節點(diǎn)位移參數的總自由度是指結構在某頻率下的變形,其中每階振型都與其特定的固有頻率相關(guān),它們可以反映構件自身的動(dòng)力學(xué)特征,同時(shí)也2.2.2模態(tài)分析模型建立決定了構件怎樣去響應其外部動(dòng)力載荷。固有模態(tài)可以組合構件的各動(dòng)力學(xué)響應,模態(tài)分析的結果同時(shí)也是多種動(dòng)態(tài)將建好的三維實(shí)體模型直接導入 Hypermesh軟件進(jìn)響應的判據,所以首先對構件進(jìn)行模態(tài)分析行有限元模型網(wǎng)格劃定和模態(tài)文件生成?？紤]到計算的精度,選用精度較高的8節點(diǎn)等參6面體單元。在H221模態(tài)分析理論基礎3senmesh軟件中需要定義這3個(gè)柔性體的材料,相關(guān)的材料參數見(jiàn)表1,其中E為材料的彈性模量,μ為材料的泊松1)多自由度動(dòng)力學(xué)方程比,p為材料密度動(dòng)力學(xué)有限元法的控制平衡方程為表1柔性體的材料參數[M]{x(t)}+[C]{x(t)}+[K]{x(t)}={F(t)}(1)材料E/MPap/(T/mm')其中:M一表示質(zhì)量矩陣;C一表示阻尼矩陣;K一表示剛度駐栓炮鋼2.1e5矩陣;F(t)一表示所受外部負荷向量;x(1)、x(t)、x(1)分推桿炮鋼7.9e-9別表示位移向量、速度向量和加速度向量連桿炮鋼中國煤化工由于模態(tài)是系統結構的固有特性,只與自身條件相CNMHG關(guān),與外部激勵條件無(wú)關(guān)。因此系統的固有頻率和振型可劃分好的撥動(dòng)子駐閂、發(fā)射器推桿和電磁連桿各自擁以通過(guò)求解式(2)(系統的自由振動(dòng)方程)來(lái)得到。有的單元個(gè)數和節點(diǎn)個(gè)數如表2所示Macrine Building E Automation, Juan 2015, 44(3): 92-94, 130信息技術(shù)陳偉,等·某擊發(fā)機構動(dòng)力學(xué)仿真研究表2柔性體有限元參數部件單元個(gè)數節點(diǎn)個(gè)數撥動(dòng)子駐栓4199發(fā)射器推桿13393桿柔體電磁連桿l882018808撥動(dòng)子駐栓柔體采用 Block lanczos法來(lái)進(jìn)行模態(tài)提取工作,該方法能提取較多的模態(tài),并且對內存要求較低,適應于大型模型,因此廣泛的應用于許多大型有限元軟件。電磁連桿柔體2.2.3模態(tài)分析結果電磁連桿第7階以后的主模態(tài)信息見(jiàn)表3,部分模態(tài)圖4擊發(fā)機構剛柔耦合模型圖變形圖如圖3所示。表3電磁連桿主模態(tài)信息階數頻率/振型描述928.151y方向彎曲221.7z方向彎曲2643.9y方向彎曲z方向彎曲5612.2y方向彎曲56176147.9z方向彎曲8829y方向彎曲圖5撥動(dòng)子駐栓位移曲線(xiàn)圖架運動(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)射器支架往回運動(dòng);在0.04s時(shí)發(fā)射器推桿還沒(méi)有回復到初始位置。圖3第9階主模態(tài)2.3建立剛柔耦合模型將在 Hypermesh軟件中生成的柔性體模態(tài)中性文件導人到 ADAMS軟件中去6。首先將擊發(fā)機構剛性模型導人到 ADAMs軟件中,然后采用柔性體替換剛體( RigidTo 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的柔性體進(jìn)行替換。建立好的剛柔耦合模型0.00示意圖如圖4所示圖6推桿位移曲線(xiàn)圖仿真結果及分析圖7為電磁連桿角速度時(shí)間曲線(xiàn),在0.009s時(shí),電磁連桿角速度達到最大,然后突然下降,這說(shuō)明在這個(gè)時(shí)候,底座圖5所示為撥動(dòng)子駐栓位移曲線(xiàn)圖。由圖5可知,在部件在撞擊擊發(fā)擋板,擊發(fā)擋板開(kāi)始運動(dòng)在002時(shí),角速0024時(shí),發(fā)射器壓桿撞擊撥動(dòng)子駐栓撥動(dòng)子駐栓在碰撞度又減小說(shuō)明擊發(fā)擋板撞擊推桿,自身速度減小,阻礙了電力的作用下沿炮閂向右移動(dòng);在0019s時(shí)撥動(dòng)子駐栓停止磁連桿的運動(dòng):在中國煤化工,在重力作移動(dòng),最終撥動(dòng)子駐栓沒(méi)有釋放撥動(dòng)子,即本次擊發(fā)不成功用下往回運動(dòng)。圖6所示為推桿位移曲線(xiàn)圖,由圖6可知,在0.102s作用下,電磁連桿CNMHG碰撞力的時(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(下轉第130htp:∥ZZHD.chinajournal,netcnE-mail:ZzHD@chainajournal.netcn《機槭制造與自動(dòng)化》信息技術(shù)張植瓊,等·形變方式對H62黃銅模壓形變等效應變分布的影響通過(guò)以上分析可知,不管是在相同壓彎壓平次數下還[2] Valiey r z. Structure and mechanical properties of ultra-fine是相同周期下,與平行模壓相比,采用交叉模壓形變,能獲grained metals [ J]. Mater Sci Eng A, 1997, 234: 59-66得更高的等效應變累積值和更好的均勻性,這與張瑩等人3]LeeJ.W,Patk.. Numerical and experimental investigations of的試驗結果(隨著(zhù)周期的增加,交叉模壓形變方式所獲得constrained groove pressing and rollingment[]的試樣比平行模壓形變方式所獲得的的試樣有更好的均Journal of Materials Process2002,130-131勻性和更高的硬度值)是相對應的[4 Krishnaiah A, Chakkingal U, Venugopal P. Applicability of the3結語(yǔ)groove pressing technique for grain refinement in commerciality copper[J]. Materials Science and Engineering, 2005, 410-1)交叉模壓1周期相當于平行模壓2周期,即使在411:337-340相同壓彎壓平條件下,交叉模壓1周期試樣累積的等效應[51 Krishnaiah a, Chakkingal U, Venugopal P. Production of ultrafine變值仍略高于平行模壓2周期試樣,且等效應變分布均勻grain sizes in aluminum sheets by severe plastic deformation using性也比平行模壓方式下的試樣要好the technique of groove pressing [J]. Scripta Materialia, 20052)在相同周期條件下,交叉模壓形變試樣所獲得的52(12):12等效應變肯定會(huì )高于平行模壓形變的試樣,但是隨著(zhù)周期[6]蘇麗風(fēng),彭開(kāi)萍肖林鋼反復模壓形變法細化H62黃銅的研的增加,差距會(huì )縮小,除此之外,交叉模壓形變試樣等效應究[J].機械工程材料,2007,31(7):15-18變分布均勻性比平行模壓形變試樣要好的多[7]曾佳偉,牟雪萍,彭開(kāi)萍.材料厚度對H62黃銅模壓形變等效3)模壓形變有限元模擬結果中等效應變的分布規律應變分布的影響[J].機械工程材料,2011,35(2):92-96.與實(shí)際試驗中顯微硬度的分布規律是一致的。[8]張螢,彭開(kāi)萍.模齒寬度對模壓變形純銅晶粒尺寸與力學(xué)性能的影響[J.機械工程材料,2009,33(10):13-16.[9]曾佳偉,彭開(kāi)萍.H62黃銅模壓形變有限元模擬[J].金屬熱參考文獻處理,2010,35(5):83-86[10]張螢,彭開(kāi)萍,林雪慧.形變方式對模壓形變H62黃銅組織[ 1] Shin D H, Park J J, Kim Y S, et al. Constrained groove pressi的影響[冂].材料熱處理學(xué)報,2009,30(4):114-119Materials and Science Engineering A, 2002, 328: 98-103收稿日期:2014-12-02AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA(上接第9頁(yè))20003000z100020005001000圖8撥動(dòng)子駐栓和發(fā)射器壓桿碰撞力圖7電磁連桿角速度參考文獻圖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(xiàn),由圖可以看出,在00124s時(shí),發(fā)射器壓桿撞擊撥1]張相炎管紅根火炮概論[M北京:北京理工大學(xué)出版社,2動(dòng)子駐栓,由于撥動(dòng)子駐栓柔性的原因;在0.0125s時(shí)學(xué)報,2005,17(1):77-81碰撞力達到最大,為1342N;在0098時(shí),發(fā)射器壓桿與[3]李德葆,振動(dòng)模態(tài)分析及其應用[M.北京:宇航出版撥動(dòng)子駐栓相分離,在壓桿彈簧的作用下往回運動(dòng)。社,19894結論[4]劉延柱,陳文良.振動(dòng)力學(xué)[M].北京:高等教育出版以某擊發(fā)機構為研究對象,建立了擊發(fā)機構剛柔耦合[5]朱茂桃,何志剛,徐凌,等車(chē)身模態(tài)分析與振型相關(guān)性研究動(dòng)力學(xué)模型,考慮了擊發(fā)機構里面含有的接觸/碰撞等因[J].農業(yè)機械什H中國煤化工[6]李增剛.ADAM防工業(yè)出版素,經(jīng)仿真計算得到了擊發(fā)機構擊發(fā)時(shí)各部件的接觸/碰CNMHG撞關(guān)系,為研究擊發(fā)機構工作過(guò)程中的力學(xué)性能提供了參考。枚稿日期:2015ZZHDournal. net. cn E-mlil:ZzHD@ chainajournal. netcn《機械制造與自動(dòng)化》