李太陽，郭保全，朱 銳，范林盛，王為昌

( 1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 65352部隊(duì)，吉林 梅河口 135000)

制退機(jī)流固耦合仿真分析

李太陽1，郭保全1，朱 銳1，范林盛1，王為昌2

( 1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 65352部隊(duì)，吉林 梅河口 135000)

傳統(tǒng)的制退機(jī)流體與結(jié)構(gòu)相互作用研究一般只注重于對(duì)內(nèi)部流場的仿真分析，但都忽略了流體對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，僅將流場模擬的壓力數(shù)值等同于結(jié)構(gòu)所受壓力，分析并不全面。文中通過建立制退機(jī)流場與結(jié)構(gòu)場的耦合模型，在ANSYS Workbench一體化平臺(tái)上，將內(nèi)部流場數(shù)據(jù)傳遞給制退機(jī)結(jié)構(gòu)場，運(yùn)用Workbench集合的ANSYS Mechanical進(jìn)行瞬態(tài)的固體分析，得出結(jié)構(gòu)體所受的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，為制退機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

流體力學(xué)；火炮；制退機(jī)；流固耦合；結(jié)構(gòu)仿真

制退機(jī)是火炮的重要組成部分，主要功能是對(duì)火炮射擊時(shí)火藥氣體產(chǎn)生的后坐力起緩沖作用，以保證火炮的射擊穩(wěn)定性提高射擊精度?，F(xiàn)代火炮上普遍應(yīng)用的是節(jié)制桿型制退機(jī)，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單而且該型制退機(jī)的緩沖性能比較容易控制[1]。

目前對(duì)于制退機(jī)的研究主要集中在單純分析制退機(jī)內(nèi)固體運(yùn)動(dòng)對(duì)流體產(chǎn)生的影響，然后根據(jù)流體的變化去分析制退機(jī)產(chǎn)生故障的原因，并沒有考慮到制退機(jī)內(nèi)部實(shí)際是一種流場和固體相互作用的環(huán)境，固體可能會(huì)因?yàn)榱黧w的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定應(yīng)變，從而改變流場的邊界，影響后坐運(yùn)動(dòng)，這樣分析得出的結(jié)果肯定會(huì)產(chǎn)生一定誤差[2]。

筆者對(duì)火炮制退機(jī)流體與結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)行研究，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真，從時(shí)間空間上定量地描述流體與結(jié)構(gòu)相互作用的情況，通過分析流體對(duì)固體造成的影響，為下一步火炮制退機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少制退機(jī)故障發(fā)生率提供重要理論依據(jù)和參考。

1 建立制退機(jī)模型

1.1 制退機(jī)三維模型

火炮制退機(jī)為節(jié)制桿式制退機(jī)，工作介質(zhì)為制退液。為了提高仿真的精度，而又不過分考慮細(xì)節(jié)問題，避免影響因素過多，導(dǎo)致計(jì)算誤差更大，通過改進(jìn)前人的建模問題，結(jié)合計(jì)算實(shí)際與工程實(shí)際情況，建立制退機(jī)模型，如圖1所示。

1.2 制退機(jī)結(jié)構(gòu)場網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量代表了數(shù)據(jù)傳遞的質(zhì)量，為了保障仿真的精確性，結(jié)構(gòu)場的網(wǎng)格劃分也應(yīng)盡量細(xì)致，以保證流固耦合傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，結(jié)構(gòu)場采用Mechanical物理場，運(yùn)用四面體網(wǎng)格劃分，Patch Conforming方法，單元尺寸設(shè)為4 mm，細(xì)化中心點(diǎn)，共劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)99 377個(gè)，網(wǎng)格單元298 132個(gè)，網(wǎng)格半剖模型如圖2所示[3]。

2 耦合和固體力學(xué)基礎(chǔ)

流體與結(jié)構(gòu)體相互作用問題需要將流體與結(jié)構(gòu)體進(jìn)行耦合處理，求解時(shí)處理耦合問題的方程，定義域既包含固體域也包含流體域。流固耦合按機(jī)理可分為耦合作用僅發(fā)生在兩相交界面上和耦合的兩域部分或全部重疊在一起，如多孔介質(zhì)滲流，制退機(jī)的接觸屬于前者[4]。

2.1 固體控制方程

由流體運(yùn)動(dòng)引發(fā)固體振動(dòng)、位移的控制方程為

(1)

式中：Ms為固體質(zhì)量矩陣；Cs為阻尼矩陣；Ks為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；r為固體的位移；τs為固體受到的應(yīng)力。

2.2 耦合控制方程

流固耦合交界面上流體與固體的位移、熱流量、溫度、應(yīng)力都相等，即：

(2)

式中：q為熱流量；T為溫度。

求解流體固體相互分析的耦合控制方程，首先要建立耦合控制方程的普適形式，然后給定耦合方程所需各個(gè)參數(shù)以及合適的初始計(jì)算要素和邊界條件，最后運(yùn)用當(dāng)前主流求解流固耦合相關(guān)問題的方法——直接耦合求解法[5]。

控制方程離散化的直接耦合解法，就是同時(shí)解各變量。

(3)

流體固體相互作用控制方程離散化的分離解法不需要將流體和固體控制方程耦合求解，而是按照一定先后順序，流體方程在流場求解器中進(jìn)行單獨(dú)求解或者固體控制方程在結(jié)構(gòu)場求解器中進(jìn)行單獨(dú)求解[6]，然后將前一單獨(dú)場的計(jì)算數(shù)據(jù)通過流固耦合交界面(FSInterface)傳遞數(shù)據(jù)給另一場，從而實(shí)現(xiàn)分離求解。

3 結(jié)構(gòu)場仿真條件設(shè)置

將制退機(jī)流場仿真的數(shù)據(jù)加載給結(jié)構(gòu)場，設(shè)置制退筒、節(jié)制桿、節(jié)制環(huán)均為柔性體。制退筒、節(jié)制桿的材料均為40Cr，密度為7 820kg/m3，彈性模量為213.5GPa，泊松比為0.31，抗拉強(qiáng)度為785MPa，屈服應(yīng)力為600MPa。節(jié)制環(huán)采用的材料為鋁黃銅，密度為8 900kg/m3，彈性模量為71GPa，泊松比為0.32，熱膨脹系數(shù)為1.88×10-5K-1。結(jié)構(gòu)場模擬時(shí)間為105ms，時(shí)間步為50μs，與流場保持一致[7]。定義節(jié)制環(huán)與制退筒、節(jié)制環(huán)與制退桿為綁定接觸，制退桿與制退筒的兩個(gè)接觸面為圓柱副，后坐速度加載在制退桿后端面上，流場數(shù)據(jù)根據(jù)交界面分別加載。設(shè)置如圖3所示，其中A為制退筒與地面建立的固定約束，B、C為移動(dòng)副，D為速度矢量，E、F、G、H為壓力加載項(xiàng)，如圖3所示。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 等效應(yīng)力結(jié)果分析

制退機(jī)在火炮后坐時(shí)，將火炮的后坐能量轉(zhuǎn)化為制退液的內(nèi)能，承受火炮后坐力和流體的液壓阻力，作用時(shí)間短，能量大，制退機(jī)相應(yīng)的應(yīng)力結(jié)果能很好地展示制退機(jī)各個(gè)部位的受應(yīng)力情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 圖4所示為不同時(shí)刻節(jié)制桿等效應(yīng)力半剖圖。

從圖4中可以看出，制退機(jī)節(jié)制桿應(yīng)力在火炮后坐時(shí)產(chǎn)生周期性變化，應(yīng)力集中在節(jié)制桿根部，節(jié)制桿的運(yùn)動(dòng)是上下晃動(dòng)，局部應(yīng)力最大值為373.31 MPa，小于屈服極限，所以不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，但節(jié)制桿會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變。由于火炮后坐時(shí)，流體在極短時(shí)間內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)楦咚傥蓙y流動(dòng)狀態(tài)，其過程伴隨巨大的能量傳遞，在此過程中節(jié)制桿受液流沖擊從而產(chǎn)生振蕩。

圖5所示為節(jié)制桿根部距離端面5 cm處外圓上一點(diǎn)的等效應(yīng)力變化曲線。

從圖 5中可以看出，節(jié)制桿所受等效應(yīng)力呈波動(dòng)分布，曲線并不光滑，等效應(yīng)力數(shù)值有些振蕩，這是由于制退機(jī)節(jié)制桿在湍流作用的影響下所引起的，等效應(yīng)力的最大值為373.31 MPa，節(jié)制桿處于不斷振蕩狀態(tài)，在后坐結(jié)束時(shí)，液流速度并未靜止，由于節(jié)制桿存在著慣性，所以節(jié)制桿等效應(yīng)力并不為0。

圖6所示為節(jié)制環(huán)所受的應(yīng)力最大時(shí)的受力分布情況。

應(yīng)力集中在節(jié)制環(huán)孔和節(jié)制環(huán)內(nèi)面，最大值為82.958 MPa，與制退桿接觸處部位的應(yīng)力也較集中，節(jié)制環(huán)的應(yīng)力在后坐周期內(nèi)變化較小，只會(huì)產(chǎn)生極其微小的彈性形變，基本可以忽略。所以節(jié)制環(huán)磨損的主要原因并不是應(yīng)力太大，而在于流液孔處高速的液流沖擊與空化效應(yīng)，造成節(jié)制環(huán)附近會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)壓強(qiáng)，金屬表面在其作用下會(huì)產(chǎn)生顆粒碎屑，混在制退液中，隨著后坐過程，不斷沖刷節(jié)制環(huán)和其他部件，從而導(dǎo)致制退機(jī)故障的發(fā)生。

4.2 等效應(yīng)變分析

等效彈性應(yīng)變是衡量某一結(jié)構(gòu)彈性變形量大小的標(biāo)量，它可以很好地展示構(gòu)件的彈性變形分布，從而更好地對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行分析?；鹋谥仆藱C(jī)由于其他構(gòu)件的彈性應(yīng)變較小，基本可以忽略，所以主要對(duì)制退機(jī)節(jié)制桿的等效彈性應(yīng)變進(jìn)行研究。制退機(jī)后坐過程中，不同時(shí)刻節(jié)制桿的等效應(yīng)變分布如圖7所示。

從圖7中可以看出，節(jié)制桿的彈性應(yīng)變主要發(fā)生在根部，節(jié)制桿尾部幾乎不發(fā)生彈性應(yīng)變，節(jié)制桿在5 ms時(shí)，最大的等效彈性應(yīng)變量為0.000 2，還比較小。隨著時(shí)間的增大，彈性應(yīng)變量也逐漸增大，在13 ms時(shí)達(dá)到最大值0.001 86，然后逐漸減小。到27 ms時(shí)，等效彈性應(yīng)變量為1.48×10-7，接近0，節(jié)制桿恢復(fù)到初始位置，然后進(jìn)入下一個(gè)應(yīng)變期。節(jié)制桿的等效彈性應(yīng)變也呈周期性，圖8為節(jié)制桿根部距離端面5 cm處外圓上一點(diǎn)的等效彈性應(yīng)變曲線圖。

由于湍流作用和計(jì)算誤差的原因，等效彈性應(yīng)變的曲線也有一些小的波動(dòng)并不光滑，曲線整體連續(xù)性周期波動(dòng)，節(jié)制桿等效彈性應(yīng)變最大值為0.001 86，最小值為1.48×10-7，說明節(jié)制桿在極速紊亂的制退液流作用下，產(chǎn)生周期性上下振蕩，可以為節(jié)制桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析和結(jié)構(gòu)分析作出一定貢獻(xiàn)[8]。

4.3 節(jié)制桿變形分析

圖9為不同時(shí)刻節(jié)制桿z向位移圖，在圖9中可以發(fā)現(xiàn)節(jié)制桿的運(yùn)動(dòng)在整個(gè)后坐過程中，呈周期性上下晃動(dòng)，振幅為2.47 mm，z向位移由節(jié)制桿根部向節(jié)制桿尾部，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

圖10為制退機(jī)結(jié)構(gòu)場模擬的不同位置的節(jié)制桿z向位移曲線。

從圖10中可以發(fā)現(xiàn)節(jié)制桿的運(yùn)動(dòng)形式近似周期運(yùn)動(dòng)，周期時(shí)間為62 ms，節(jié)制桿尾部的振幅為2.47 mm，節(jié)制桿中段的振幅為0.090 8 mm，節(jié)制桿根部的振幅為0.031 5 mm，由于制退機(jī)在后坐結(jié)束時(shí)仍保留有一定的后坐速度以保證后坐到位，而且節(jié)制環(huán)也存在慣性，所以節(jié)制桿在后坐終止時(shí)仍有一定位移，處于上止點(diǎn)。制退液在制退桿活塞的擠壓下，從工作腔I通過變直徑的流液孔高速流入非工作腔II，在瞬時(shí)狀態(tài)下，造成節(jié)制桿的擾動(dòng)振蕩。

本文所示制退機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，振幅較小未造成內(nèi)壁的碰觸。假如制退機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)缺陷，如流液孔設(shè)計(jì)不合理、制退桿內(nèi)腔與節(jié)制桿間隙過小等情況，很有可能造成后坐速度過大，導(dǎo)致節(jié)制桿在III腔內(nèi)振蕩加劇，碰觸制退桿內(nèi)壁，從而造成液流紊亂，壁面磨損，產(chǎn)生金屬顆粒。隨著高速液流沖擊節(jié)制環(huán)和其他構(gòu)件，造成節(jié)制環(huán)和其他構(gòu)件的沖蝕磨損，該磨損會(huì)導(dǎo)致火炮制退機(jī)不能正常工作、后坐過長、復(fù)進(jìn)不到位等故障，影響火炮的射擊精度和戰(zhàn)術(shù)性能。

5 結(jié)束語

筆者主要對(duì)制退機(jī)結(jié)構(gòu)場進(jìn)行了仿真分析，得出了制退機(jī)關(guān)鍵部件的等效應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變和節(jié)制桿的變形數(shù)據(jù)，直觀地反映了制退機(jī)后坐工作時(shí)，所受的等效應(yīng)力以及產(chǎn)生的等效彈性應(yīng)變，節(jié)制桿的變形幅度，并分析了由于節(jié)制桿的振蕩而消耗能量以及節(jié)制桿可能與制退桿內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生金屬顆粒，從而導(dǎo)致制退機(jī)運(yùn)作的兩種故障情況，為今后火炮制退機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了理論參考。

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A Simulation Analysis of the Fluid-solid Coupling of Recoil Brake

LI Taiyang1, GUO Baoquan1, ZHU Rui1, FAN Linsheng1, WANG Weichang2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China；2.65352 Forces, Meihekou 135000, Jilin, China)

The traditional research on the interaction between the fluid and structure of the recoil system only focused on the digital simulation analysis of the internal flow field but ignored the effect of the fluid on the structure. And it is not comprehensive to equate the pressure value of flow field simulation with that of structure. In ANSYS Workbench integration platform, through establishing the coupling model of flow field and structure field of the recoil brake, the author transferred the data of internal flow field to recoil brake. By means of transient solid analysis processed by ANSYS Mechanical, the data of the stress and strain of the structure was obtained, which will provide a theoretical basis for the design of recoil brake.

hydromechanics; howitzer; recoil brake; fluid-solid coupling; structural simulation

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.01.002

2016-04-08

國家自然科學(xué)基金(51275489)

李太陽(1991—)，男，碩士研究生，主要從事火炮結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)研究。E-mail：2713037296@qq.com

TJ303+.4

A

1673-6524(2017)01-0007-05