張健，赫雷，周克棟

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

基于Workbench的某型試驗(yàn)槍架系統(tǒng)模態(tài)分析

張健，赫雷，周克棟

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

試驗(yàn)槍架系統(tǒng)用于代替射手進(jìn)行自動(dòng)射擊，為了減小共振對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞及其對射擊精度的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后必須對系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，文中通過將在Solidworks中建立的幾何模型簡化后導(dǎo)入Ansys Workbench中進(jìn)行模態(tài)分析，從而得到其固有頻率及振型，分析了變形產(chǎn)生的原因并找出了薄弱環(huán)節(jié)，為以后的模態(tài)試驗(yàn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

試驗(yàn)槍架；模態(tài)分析；ANSYS Workbench

0 引言

在傳統(tǒng)的機(jī)槍定型試驗(yàn)中，往往由射手在惡劣環(huán)境(如高溫、低溫、淋雨等)下進(jìn)行射擊，通過射擊精度等指標(biāo)來評估機(jī)槍的性能，但是環(huán)境的惡劣性及試驗(yàn)機(jī)槍存在的不安全隱患對射手的安全構(gòu)成了威脅，進(jìn)而影響到了射擊的穩(wěn)定性及射擊精度。

試驗(yàn)槍架系統(tǒng)可代替射手進(jìn)行自動(dòng)射擊，由于其良好的安全性和穩(wěn)定性，試驗(yàn)槍架系統(tǒng)正越來越受到重視。在試驗(yàn)槍架設(shè)計(jì)過程中，為了解其動(dòng)態(tài)特性，有效地規(guī)避槍架系統(tǒng)在射擊狀態(tài)下的共振頻率，有必要對系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到其共振頻率、阻尼比、振型等信息，為以后的結(jié)構(gòu)改進(jìn)打下基礎(chǔ)。

1 幾何模型的建立

該試驗(yàn)槍架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要在三維建模軟件Solidworks中完成，該槍架主要由三腳架、搖架、托架組成，可用于多種型號的機(jī)槍試驗(yàn)，本文將某12.7mm重機(jī)槍及其對應(yīng)的前后夾具與槍架組成整體，分析其固有特性。

由于原模型非常復(fù)雜且存在大量的細(xì)節(jié)特征，保留這些細(xì)節(jié)特征會加大網(wǎng)格劃分的難度，甚至導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失敗，對求解計(jì)算和分析結(jié)果造成負(fù)面影響，故在CAE分析前需要對模型進(jìn)行簡化[1]。對該模型的簡化主要包括兩部分：1) 對槍架的簡化，主要為去掉一些小圓角、倒角、小凸臺等細(xì)小特征；2) 建立機(jī)槍的簡化模型，省略了提把、握把、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等非承載件。

簡化完成后利用Solidworks與ANSYS Workbench的無縫集成，將模型準(zhǔn)確無誤地導(dǎo)入ANSYS Workbench中，導(dǎo)入后的模型如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)槍架系統(tǒng)三維模型

2 有限元模型的建立

為了模擬真實(shí)情況下武器的動(dòng)態(tài)特性，采用三腳架駐鋤邊界位移全約束的約束條件。

為方便計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，首先將裝配體中的各零部件材料設(shè)定為碳鋼，材料彈性模量2.07 ×1011Pa，泊松比0.3，密度7980kg/m3，其次對導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[2]，由于AWE提供了強(qiáng)大的接觸識別及自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能，可以分別對各個(gè)零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格劃分前首先檢查實(shí)體，對可掃掠的實(shí)體采用掃掠方法劃分六面體網(wǎng)格，對不能掃掠劃分的實(shí)體采用協(xié)調(diào)分片算法劃分四面體網(wǎng)格，對于關(guān)鍵部位如三腳架駐鋤與槍管則單獨(dú)定義網(wǎng)格尺寸并細(xì)化網(wǎng)格，得到了更加細(xì)密的網(wǎng)格，大大提高了網(wǎng)格品質(zhì)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)槍架系統(tǒng)有限元模型

3 模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析概念

模態(tài)分析是對一個(gè)由若干部分組成的以某種方式與若干無質(zhì)量、剛性連接的系統(tǒng)進(jìn)行分析，進(jìn)而確定動(dòng)力學(xué)特征的過程。

每種結(jié)構(gòu)都有它固有的振動(dòng)頻率，稱之為共振頻率。當(dāng)結(jié)構(gòu)的某一共振頻率被激活時(shí)，將表現(xiàn)出一種振動(dòng)形態(tài)，稱為振動(dòng)模態(tài)。而模態(tài)分析的目標(biāo)就是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[3]。

槍架系統(tǒng)的振動(dòng)特性是影響機(jī)槍射擊精度的主要因素之一，隨著槍架系統(tǒng)質(zhì)量越來越輕，槍架系統(tǒng)的彈性變形特性和振動(dòng)特性更為突出，動(dòng)力學(xué)特性對武器性能的影響也越來越不可忽視，對機(jī)槍系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析成為了機(jī)槍結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基本任務(wù)[4-6]。

3.2 模態(tài)分析基本理論

N個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程可以寫為：

(1)

不同分析類型對應(yīng)求解不同形式的方程，對于模態(tài)分析，設(shè)定f為零，而矩陣C通常被忽略。則此時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(2)

設(shè)式(2)的解為：

(3)

將式(3)帶入式(2)得：

(4)

(5)

式(5)稱為系統(tǒng)的特征方程，展開后為：

ω2n+a1ω2(n-1)+…+anω2+an=0

(6)

3.3 模態(tài)計(jì)算及結(jié)果分析

由于在模態(tài)分析中只有零位移約束是有效的，所以不對其施加其他約束與載荷，為模擬槍架系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中的狀態(tài)，采用對三腳架駐鋤邊界位移完全約束的方式。計(jì)算前設(shè)置模態(tài)提取為20階，將前六階模態(tài)頻率列在表1，其對應(yīng)的振型如圖3至圖8所示。

表1 試驗(yàn)槍架系統(tǒng)各階頻率及總位移

圖3 一階振型

圖4 二階振型

圖5 三階振型

圖6 四階振型

圖7 五階振型

圖8 六階振型

從振型圖中可看出，系統(tǒng)的一階振型主要表現(xiàn)為系統(tǒng)整體的上下轉(zhuǎn)動(dòng)，而第一階固有頻率為13.01Hz，該機(jī)槍的射擊頻率為9.28Hz，避開了射頻的整數(shù)倍，因此在射擊過程中，機(jī)槍不會發(fā)生共振。二階振型主要為機(jī)槍及后夾具左右方向的擺動(dòng)，三階振型主要表現(xiàn)為槍架整體與機(jī)槍的同方向擺動(dòng)，四階振型主要表現(xiàn)為槍架整體與槍管的反方向擺動(dòng)，五階振型為該系統(tǒng)在縱向射面內(nèi)的主振型，主要表現(xiàn)為槍口的上下擺動(dòng)，第六階振型為高階模態(tài)振型，主要表現(xiàn)為整個(gè)試驗(yàn)槍架系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)變形。

從第一階與第二階振型中看出該機(jī)槍后夾具的剛度較小，是振動(dòng)振幅較大的部分，由于后夾具承受機(jī)槍射擊時(shí)的大部分后座力，因此后夾具的結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)整體的固有頻率及機(jī)槍的射擊精度影響都比較大，可以通過修改后夾具的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如加厚與機(jī)槍槍托接觸的鋼板、采用緩沖彈簧等措施改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性、提高武器的射擊精度。

4 結(jié)語

1) 從試驗(yàn)槍架整體來看，其托架部分結(jié)構(gòu)緊湊，在振型圖中基本沒有表現(xiàn)出明顯的變形，而搖架的變形則相對比較明顯，在以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)中要加以關(guān)注。架腿在高階固有頻率上表現(xiàn)出振型，而高階固有頻率對系統(tǒng)的振動(dòng)特性影響較小，因此可認(rèn)為架腿的剛度是滿足要求的。

2) 不論是縱向射面的模態(tài)還是橫向射面內(nèi)的模態(tài)，其變形主要發(fā)生在槍管部位，體現(xiàn)出懸臂梁的特征。

3) 后夾具在低階模態(tài)振型中表現(xiàn)出明顯的變形，在下一步工作中將重點(diǎn)對后夾具進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使其剛度分布更加合理。

4) 通過建立試驗(yàn)槍架系統(tǒng)的有限元模型并對其進(jìn)行模態(tài)分析，使得設(shè)計(jì)人員能更加直觀的了解該系統(tǒng)的振動(dòng)特性，為以后的模態(tài)試驗(yàn)中測點(diǎn)及激勵(lì)點(diǎn)的選擇提供參考。在以后的工作中，還要結(jié)合一定的試驗(yàn)工作來驗(yàn)證有限元模型的合理性，以建立更加完善的有限元模型。

[1] 趙猛，張以都，馬良文，等.裝配結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真與實(shí)驗(yàn)對比研究[J].振動(dòng)與沖擊，2005，24(1)：28-30.

[2] 阮玉塘.基于ANSYS的某機(jī)槍有限元結(jié)構(gòu)分析[D].南京：南京理工大學(xué)，2007：17-37.

[3] 于德介，程軍圣，楊宇.機(jī)械振動(dòng)學(xué)[M].湖南：湖南大學(xué)出版社，2010：67-89.

[4] 陳錦喜，王瑞林，李永建，等.機(jī)槍槍架結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其動(dòng)力學(xué)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2012，27(7)：74-76.

[5] 徐誠，王亞平.火炮與自動(dòng)武器動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：150-236.

[6] 呂端，曾東建，于曉洋，等. 基于ANSYS Workbench 的V8 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有限元模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012:11-13.

Modal Analysis of Certain Type of Testing Gun Mount Based on ANSYS Workbench

ZHANG Jian, HE Lei, ZHOU Ke-dong

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Testing gun mount system is used to do the automatic shooting in stead of the gunners. In order to decrease the influence of the resonance on the structure destruction and the firing accuracy, its vibration characteristics need to do analysis. The testing gun mount geometry is established in Solidworks and the geometry is imported into ANSYS Workbench to conduct a modal analysis in order to obtain the natural frequency and vibration model and then, the reasons of deformation are analyzed and the weak parts are found out. These can provide basis for further modal experiment and optimization design.

testing gun mount; modal analysis; ANSYS Workbench

張健(1989-)，男,江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向武器系統(tǒng)理論與工程。

TJ25

A

1671-5276(2014)02-0082-03

2013-01-21