莊震宇,王德鑫,宋軍,焦志文,姜年朝

(南京模擬技術(shù)研究所,江蘇 南京 210016)

一種聲光彈發(fā)射器結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

莊震宇,王德鑫,宋軍,焦志文,姜年朝

(南京模擬技術(shù)研究所,江蘇 南京 210016)

建立了某聲光彈發(fā)射器結(jié)構(gòu)的有限元模型,根據(jù)聲光彈在發(fā)射器內(nèi)爆炸時產(chǎn)生的壓力,基于ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析,校核了該聲光彈發(fā)射器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,并對該聲光彈發(fā)射器結(jié)構(gòu)的減震彈性支架進(jìn)行優(yōu)化分析,獲得最佳的支架鋼板厚度參數(shù).

聲光彈發(fā)射器;有限元;優(yōu)化

在現(xiàn)代軍事演習(xí)和軍事訓(xùn)練中,通常用聲光彈爆炸時的光強(qiáng)和聲強(qiáng)用來模擬坦克炮、無后坐力炮等重火器發(fā)射時的聲光效果,從而達(dá)到實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的目的.而作為安裝和發(fā)射聲光彈的發(fā)射裝置,則要承擔(dān)聲光彈發(fā)射和爆炸時的瞬間沖擊力,因此發(fā)射器的強(qiáng)度和剛度是設(shè)計需要重點(diǎn)考慮的因素之一.典型的聲光彈發(fā)射器由聲光彈筒、減震彈性支架等組成,如圖1所示.

針對某聲光彈發(fā)射器結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度和剛度的要求,建立了該發(fā)射器結(jié)構(gòu)以及聲光彈筒、減震彈性支架與連接底板等零部件的有限元模型,并用ANSYS軟件進(jìn)行分析,得到這些結(jié)構(gòu)在聲光彈爆炸時產(chǎn)生的壓力作用下的Mises應(yīng)力和變形.減震彈性支架承受聲光彈筒在聲光彈發(fā)射瞬間的沖擊載荷,使整體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度,減震彈性支架厚度的設(shè)計在該系統(tǒng)中具有重要意義.本文以減震彈性支架厚度為優(yōu)化參數(shù),在ANSYS軟件中計算了不同厚度對發(fā)射器強(qiáng)度和剛度的影響,獲得了較優(yōu)的減震彈性支架厚度數(shù)據(jù),為該發(fā)射器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù).

1 有限元分析

表1列出了發(fā)射器的聲光彈筒鑄件、減震彈性支架的材料參數(shù).初始分析時支架彈簧鋼板的厚度為2.5mm.

聲光彈在該發(fā)射器的聲光

彈筒內(nèi)爆炸時,受力點(diǎn)分別如圖2所示,計算時考慮5組聲光彈爆炸點(diǎn)的情況,以聲光彈筒圓心到減震彈性支架的中心位移作為受力距離,具體位置參數(shù)如表2所示,其余的聲光彈筒爆炸點(diǎn)的位置與前5組聲光彈爆炸點(diǎn)的程對稱分布,具體情況如圖2所示.

圖 1 發(fā)射器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 發(fā)射器組成結(jié)構(gòu)材料參數(shù)(A)鑄件ZL101室溫力學(xué)性能參數(shù)

(B)彈簧鋼60Si2Mn室溫力學(xué)性能參數(shù)

聲光彈在筒內(nèi)爆炸,對鑄件的底部產(chǎn)生的沖擊壓力如圖3所示.

圖2 某聲光彈位置示意圖

表2 聲光彈點(diǎn)火位置

圖3 爆炸時的脈沖載荷

圖4 聲光彈發(fā)射器有限元網(wǎng)格

在ANSYS中,簡化模型,結(jié)構(gòu)中無鉸鏈,采用綁定約束,固連鑄件及減震彈性支架.在減震彈性支架與平板接觸的位置,限制所有自由度.在表 2列出的5種聲光彈點(diǎn)火位置分別施加最大的3500N均布壓力,代表聲光彈爆炸時的沖擊力.采用solid45單元劃分網(wǎng)格,該聲光彈發(fā)射器結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4所示.圖5為聲光彈點(diǎn)火位置為d5位置時的減震彈性支架的變形和應(yīng)力.

圖5 聲 光彈發(fā)射器有限元計算結(jié)果

2 減震彈性支架的優(yōu)化

從靜力分析結(jié)果可知,減震彈性支架厚度為2.5mm的條件下,減震彈性支架與鑄件的連接結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)較小,僅有1.02,結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài),因此,需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.因減震彈性支架承受發(fā)射器在聲光彈發(fā)射瞬間的沖擊載荷,整體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度,減震彈性支架厚度的設(shè)計在該聲光彈發(fā)射器結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有重要意義.以靜力分析的模型為優(yōu)化分析的基本模型,在引起應(yīng)力最大的發(fā)射筒內(nèi)(聲光彈爆炸點(diǎn)位置的距離為d5)施加載荷3500N,分別計算了厚度為2mm、2.5mm、3mm和4mm時減震彈性支架與鑄件的連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形,結(jié)果如表4所示.

表3 靜強(qiáng)度校核

表4 減震彈性支架與鑄件的連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)語

(1)計算了減震彈性支架2.5mm厚度的聲光彈發(fā)射器在5種狀態(tài)時的最大應(yīng)力,減震彈性支架與鑄件的連接結(jié)構(gòu)是該聲光彈發(fā)射器的薄弱部件,此處安全系數(shù)最小只有1.02,應(yīng)該對該部件進(jìn)行優(yōu)化.

(2)以減震彈性支架厚度為優(yōu)化參數(shù),在ANSYS軟件中計算了不同厚度對發(fā)射器強(qiáng)度和剛度的影響,獲得了較優(yōu)化的厚度數(shù)據(jù),如表4所示,為該發(fā)射器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù),最終設(shè)計的發(fā)射器減震彈性支架厚度取3mm.

[1]《航空材料手冊》編輯委員會. 航空材料手冊[M].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[2]《中國航空材料手冊》編委會.中國航空材料手冊(第3卷)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

TN643;O613.71

A

1671-0711(2017)11(上)-0054-03