某擊發機構動力學仿真研究

陳偉，陳秋紅，胡有璋，趙威，陳瑤

(1. 中國人民解放軍73853部隊 江蘇 南京 211811；2. 南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京 210094； 3. 南京祿口國際機場 江蘇 南京 211113；4. 中國人民解放軍75250部隊 廣東 廣州 510800; 5. 南京軍區聯勤部信息中心，江蘇 南京 210016)

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某擊發機構動力學仿真研究

陳偉1,2，陳秋紅3，胡有璋1，趙威2,4，陳瑤5

(1. 中國人民解放軍73853部隊 江蘇 南京 211811；2. 南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京 210094； 3. 南京祿口國際機場 江蘇 南京 211113；4. 中國人民解放軍75250部隊 廣東 廣州 510800; 5. 南京軍區聯勤部信息中心，江蘇 南京 210016)

摘要：為了研究擊發機構的力學特性，對擊發機構零部件進行三維實體建模，考慮撥動子駐栓、發射器推桿和電磁連桿的柔性，利用Hypermesh軟件對它們進行模態分析，生成可被動力學分析軟件ADAMS調用的模態中性文件，建立擊發機構剛柔耦合動力學模型，對擊發機構進行了剛柔耦合動力學分析和對擊發機構機理分析使用方法與手段，分析結果對于火炮擊發機構的設計具有一定的參考價值。

關鍵詞：擊發機構；多體動力學；剛柔耦合；ADAMS

0引言

擊發機構是火炮的重要組成部分，在火炮發射時，擊針在沖擊力的作用下猛烈地撞擊底火，使底火殼發生變形，底火內的擊發藥受到猛烈的擠壓而被點燃，并進而引燃發射藥[1]。擊發機構包含部件眾多，且各部件在工作過程中存在復雜的接觸和碰撞關系，因此獲取擊發機構工作時各部件實際的運動情況，將會為擊發機構的結構設計和性能改善提供重要依據。

1擊發機構工作原理

研究的擊發機構是擊錘式擊發機構，采用電磁擊發和手動機械擊發兩種擊發方式，其中手動機械擊發方式和電磁擊發方式原理基本相同，現僅對采用電磁擊發方式時擊發機構的運動情況進行分析。擊發機構結構如圖1所示。

圖1　擊發機構三維裝配圖

工作原理為[2]：按壓電磁鐵擊發按鈕—擊發配電盒—擊發電磁鐵—電磁鐵推動電磁桿—撞擊擊發擋板—撞擊炮尾中的發射器推桿—撞擊發射器杠桿—撞擊炮閂中的撥動子駐栓—解脫撥動子—釋放擊錘彈簧和擊發擊錘—撞擊擊針—撞擊底火來完成擊發的任務。

2擊發機構動力學仿真

2.1擊發機構剛柔耦合建模流程設計

為了充分模擬擊發機構的工作過程，在進行動力學建模時應該充分考慮系統部件本身的材料和結構所具有的彈性對系統運動產生的影響。故將擊發機構所有的部件都作為剛性部件處理是不符合實際的。在本擊發機構中，考慮到撥動子駐栓、發射器推桿、電磁連桿的柔性對仿真結果影響比較大，故將這3個部件進行柔性處理。建立該擊發機構剛柔耦合模型的流程如圖2所示。

圖2　擊發機構剛柔耦合模型建模流程圖

2.2柔性部件模態分析

在進行柔性多體系統動力學分析時，首先要計算構件在不計阻尼情況下的固有頻率和振型。主振動模態或者振型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，它們可以反映構件自身的動力學特征，同時也決定了構件怎樣去響應其外部動力載荷。固有模態可以組合構件的各動力學響應，模態分析的結果同時也是多種動態響應的判據，所以首先對構件進行模態分析。

2.2.1模態分析理論基礎[3-5]

1) 多自由度動力學方程

動力學有限元法的控制平衡方程為：

(1)

由于模態是系統結構的固有特性，只與自身條件相關，與外部激勵條件無關。因此系統的固有頻率和振型可以通過求解式(2)(系統的自由振動方程)來得到。

(2)

由于系統在自由振動時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，得到沒考慮阻尼系統的自由振動方程，如式(3)所示：

(3)

2) 結構的固有頻率和振型

在實際的應用中，可以把結構的自由振動看成是由一系列簡諧振動的疊加組成，因此要得到結構自由振動的固有頻率及振型，可以考慮如式(4)所示簡諧振動的解：

{X(t)}={φ}sin(ωt)

(4)

(5)

由經驗可知，物體的密度ρ>0，[M]是對稱正定矩陣，沒有作處理時[K]是對稱半正定陣。不過，假如在實際問題中有位移約束條件，矩陣[K]經過處理后就是正定矩陣。

令λ=ω2

(6)

代入式(5)可得：

(7)

假如[K]為N階矩陣，那么式(7)就是特征值λ的N次代數方程，由此可以確定N個廣義特征值λ(i=1,…,n)。若[K]是對稱正定陣，λ就是正實數，因此彈性體的N個固有頻率可以由式(6)得到：

(8)

其中：N是節點位移參數的總自由度。

2.2.2模態分析模型建立

將建好的三維實體模型直接導入Hypermesh軟件進行有限元模型網格劃定和模態文件生成。考慮到計算的精度，選用精度較高的8節點等參6面體單元。在Hypermesh軟件中需要定義這3個柔性體的材料，相關的材料參數見表1，其中E為材料的彈性模量，為材料的泊松比，為材料密度。

表1　柔性體的材料參數

劃分好的撥動子駐閂、發射器推桿和電磁連桿各自擁有的單元個數和節點個數如表2所示。

表2　柔性體有限元參數

采用Block Lanczos法來進行模態提取工作，該方法能提取較多的模態，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。

2.2.3模態分析結果

電磁連桿第7階以后的主模態信息見表3，部分模態變形圖如圖3所示。

表3　電磁連桿主模態信息

圖3　第9階主模態

2.3建立剛柔耦合模型

將在Hypermesh軟件中生成的柔性體模態中性文件導入到ADAMS軟件中去[6]。首先將擊發機構剛性模型導入到ADAMS軟件中，然后采用柔性體替換剛體(Rigid To Flex)的方法分別將撥動子駐栓、發射器推桿和電磁連桿使用相應的柔性體進行替換。建立好的剛柔耦合模型示意圖如圖4所示。

圖4　擊發機構剛柔耦合模型圖

3仿真結果及分析

圖5所示為撥動子駐栓位移曲線圖。由圖5可知，在0.0124s時，發射器壓桿撞擊撥動子駐栓，撥動子駐栓在碰撞力的作用下沿炮閂向右移動；在0.019s時，撥動子駐栓停止移動，最終撥動子駐栓沒有釋放撥動子，即本次擊發不成功。

圖5　撥動子駐栓位移曲線圖

圖6所示為推桿位移曲線圖，由圖6可知，在0.102s時，擊發擋板撞擊發射器推桿，使發射器推桿沿發射器支架運動；在0.0184s時，發射器推桿速度為零，在壓桿彈簧和重力的作用下，沿發射器支架往回運動；在0.04s時，發射器推桿還沒有回復到初始位置。

圖6　推桿位移曲線圖

圖7為電磁連桿角速度時間曲線，在0.009s時，電磁連桿角速度達到最大，然后突然下降，這說明在這個時候，底座部件在撞擊擊發擋板，擊發擋板開始運動；在0.0102s時，角速度又減小，說明擊發擋板撞擊推桿，自身速度減小，阻礙了電磁連桿的運動；在0.0184s時，電磁連桿速度為零，在重力作用下往回運動。從圖7中的速度變化可以看出，在碰撞力的作用下，電磁連桿存在著柔性變形。

圖7　電磁連桿角速度

圖8為撥動子駐栓與發射器壓桿碰撞力隨時間變化曲線，由圖可以看出，在0.0124s時，發射器壓桿撞擊撥動子駐栓，由于撥動子駐栓柔性的原因；在0.0125s時，碰撞力達到最大，為1342N；在0.019s時，發射器壓桿與撥動子駐栓相分離，在壓桿彈簧的作用下往回運動。

圖8　撥動子駐栓和發射器壓桿碰撞力

4結論

以某擊發機構為研究對象，建立了擊發機構剛柔耦合動力學模型，考慮了擊發機構里面含有的接觸/碰撞等因素，經仿真計算得到了擊發機構擊發時各部件的接觸/碰撞關系，為研究擊發機構工作過程中的力學性能提供了參考。

參考文獻:

[1] 張相炎，管紅根. 火炮概論[M]. 北京:北京理工大學出版社, 2006.

[2] 張景新, 衛志康. 炮閂擊發機安全極限磨損角分析[J]. 彈道學報, 2005, 17(1):77-81.

[3] 李德葆. 振動模態分析及其應用[M]. 北京:宇航出版社, 1989.

[4] 劉延柱, 陳文良. 振動力學[M]. 北京:高等教育出版社, 2005.

[5] 朱茂桃,何志剛,徐凌,等. 車身模態分析與振型相關性研究[J]. 農業機械學報,2004, 35(3): 13-15.

[6] 李增剛. ADAMS入門詳解與實例[M]. 北京: 國防工業出版社, 2010.

Research on Dynamic Simulation of Firing Mechanism

CHEN Wei1,2, CHEN Qiu-hong3,HU You-zhang1,ZHAO Wei2,4, CHEN Yao5,

(1. Unit 73853 of PLA, Nanjing 211811,China;

2. 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, China)

Abstract:In order to study the mechanical properties of the firing mechanism, the modeling of the three Dsolid parts of the firing mechanism is established, considering the flexibility of the cocking lever sear, launcher putter and electromagnetic rod, the modal analysis is done by Hypermesh software, the modal neutral file used by the dynamic analysis software ADAMS is generated, the rigid and flexible coupling dynamics model is established and rigid and flexible coupling dynamics of the firing mechanism is analyzed. The methods and approaches of its analysis and the design of the artillery are of certain reference value.

Keywords:firing mechanism; dynamics of multi-body; rigid/flexible coupling; ADAMS

收稿日期：2015-02-25

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0092-03

作者簡介：陳偉(1986-)，男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向：高效毀傷。