某藥倉結構的動態應力分析

2016-01-29 03:51:47趙君麟

機械制造與自動化 2015年4期

趙君麟

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

某藥倉結構的動態應力分析

趙君麟

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

摘要：彈藥自動裝填技術是現代火炮技術的重要分支，彈藥分離的裝填方式是彈藥自動裝填系統技術所必然采取的方式。藥倉里面存儲了大量的藥塊，所以對自行火炮行軍以及發射過程中的藥倉的動態應力分析是十分重要的，為藥倉的結構優化提供了很重要的數據依據。

關鍵詞：藥倉；動態應力分析；路面譜

Dynamic Stress Analysis of Powder Cabin Structure

ZHAO Junlin

(School of Mechannical Engineering,Nanjing University of Science & technology,Nanjing 210094，China)

Abstract:Ammunition automatic loading technology is an important branch of modern artillery technology. The way that bullet and powder are loaded respectively is one adopted inevitably in the ammunition automatic loading system technology. A lot of powder block is stored in the powder cabin，so the dynamic stress analysis of the powder cabin during the march and the launch of the self-propelled artillery is very important. The very important data basis is provided for the structural optimization of the powder cabin.

Keywords:artillery; powder cabin; dynamic stress analysis; road surface spectrum

0引言

未來數字化火炮系統的發展，其核心技術和關鍵部件應該有很大一部分是在自助裝填系統上。這種裝備自動裝填系統在當今火炮發展研制過程中是一個很重要的方向。在未來的數字化、信息化的戰場環境下，火炮可作為迅猛的強有力的火力支援點。藥倉作為自動裝填系統的一個重要部件，其可靠性顯得尤為重要。文中以藥倉為研究對象，研究其在行軍和發射過程中的動態應力。

1藥倉結構的有限元建模

應用Pro/E建立藥倉結構模型如圖1所示，對藥倉結構件動態應力分析主要考慮前后兩個支撐支架，可以簡化藥倉結構。認定藥筒是剛體，把藥筒作為壓力載荷，作用在前后兩個支撐支架相應的位置上。壓力載荷是隨著藥倉的加速度變化而變化的。

圖1　藥倉的Pro/E模型

ANSYS的有限元模型建立和加載計算步驟如下：

1) 導入藥倉結構模型文件，先將Pro/E藥倉結構模型導出*.igs文件，在ANSYS中導入藥倉結構模型，通過布爾運算將各個零件變成一個零件。

2) 選擇網格單元和設定材料屬性，網格單元選擇20node點的實體單元，材料密度是7.8×10-6kg/mm3，材料的彈性模量是2.1×105MPa，材料的泊松比是0.3。

3) 自由劃分網格，選擇菜單MainMenu：Preprocessor/Meshing/MeshTool，在出現的對話框單擊Mesh按鈕，其余接受默認設置，選擇藥倉結構模型，劃分出自由網格，如圖2所示。

圖2　藥倉的有限元網格

2行軍過程中藥倉結構的動態應力分析

在建立好藥倉的有限元模型之后，對該模型加載。模型加載主要分兩個部分，1) 藥筒對藥架支架的壓力載荷；2) 藥倉的位移擾動。

2.1載荷和擾動的加載

行軍過程中的加速度和位移載獲得的方法大致有3種，分別是實測法、數學建模法和虛擬樣機法。現使用數學建模的方法來求解所需的加速度和位移載荷。建立火炮系統的振動微分方程：.

[M][Y'']+[C][Y']+[K][Y]=[c][F']+[k][F]+[N]

(1)

通常直接把路面不平度作外部激勵輸入。但是在三維履帶車輛模型中，還要考慮履帶對地面不平度的濾波效應。向量[F]=[0,[FL],[FR],0],便是經濾波作用后的路面不平度激勵，其中[FL]、[FR]分別為兩側的路面不平度激勵。路面不平度可以看作是空間上連續函數，所謂履帶濾波效應，就是以履板長度為間隔，將該連續函數離散化的過程。以Δt的采樣時間，對路面不平度進行采樣，獲得采樣數據{y1,y2,...yi}。然后，對yk、yk+1和yk+2三點進行拉格朗日插值，得到yk和yk+1兩點之間的履帶板鏈節處的路面高程。最后，將各鏈節處的高程線性連接，便得到了履帶濾波后的路面不平度。

路面不平度通常根據路面譜來重構，路面功率譜密度可以表示為：

(2)

(3)

其中，α為自協方差衰減系數，表示路面起伏的劇烈程度；σ為路面均方差；ω為路面空間頻率；利用三角級數疊加的方法，左右兩側路面可分別表示為：

(4)

(5)

(6)

(7)

其中：β是路面雙側路面互協方差衰減系數，B是雙側路面間距，ζ是路面的調和系數。

(8)

數值求解方程式(1)便可獲得自行火炮的振動響應，但是F'的存在為求解過程造成了困難，可以通過狀態變化，將方程式(1)改寫為：

[Z']=[A][Z]+[B][R]

(9)

數值求解方程式(9)，便可獲得自行火炮的振動響應。由于藥倉的是直接固連在車體上，應選用C級路面譜，通過計算和繪制得到支架的位移、速度、加速度的曲線圖(圖3、圖4、圖5)。

圖3　支架的位移曲線

圖4　支架的速度曲線

圖5　支架的加速度曲線

位移擾動的加載時，通過擬合支架的位移曲線得到位移數值，直接加載在支架下端平面上。壓力載荷通過藥倉加速乘以質量求得的數值，加載在藥筒與支架的接觸面上。

2.2藥倉的動態應力分析

加載之后，通過計算可以觀察到圖6和圖7所示的等效應力圖和節點位移圖，也可以觀察到最大應力變化圖。它們分別如圖8、圖9所示。通過觀察可以發現，藥倉支架的較大應力主要分布于與藥筒接觸面的周邊。雖然這些應力都不是很大。但如果自行火炮長期在起伏路面上行駛，由于藥筒周邊的支架連接的材料較少，長期受交變應力的影響，它們可能受到疲勞破壞。從藥倉的節點位移圖可以發現，藥倉結構就像一座橋梁一樣，它的主要變形集中在上面的梁體上，而藥倉結構優化可以從加固梁體的剛度入手。