基于Workbench的車載高炮炮身模態分析

呂佼珂，程廣偉，胡　勇，高　鑫，王華亭

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽　712099)

?

基于Workbench的車載高炮炮身模態分析

呂佼珂，程廣偉，胡勇，高鑫，王華亭

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽712099)

高炮炮身固有模態對全炮的動態特性及其射擊精度影響分析至關重要。針對某車載高炮炮身的結構特征和約束條件，應用Workbench軟件建立了某車載高炮炮身的有限元模型，通過對其模態分析，求解得到車載高炮炮身在約束條件下的固有頻率和振型。在此基礎上，針對不同質量的炮口裝置以及復進簧前支撐環位置對炮身模態的影響進行了仿真，進一步分析了炮身振型與自動炮射速之間的關系，為車載高炮的射擊精度分析打下了一定基礎。

Workbench；炮身；模態分析；固有頻率

炮身是火炮的一個主要部件，它的主要作用是完成已入膛炮彈的發射任務，承受高溫、高壓火藥燃氣壓力，賦予彈丸一定的初速、射向等外彈道飛行初始參量[1]。射擊過程中，由于炮身承受高溫、高壓火藥燃氣的波動壓力和彈丸膛內運動的作用力，炮身將產生后坐、復進運動，并承受供彈力、輸彈力、關(開)閂力、抽殼力、復進機力、駐退機力、高低隨動驅動力矩、平衡機不平衡力矩、自身運動的慣性力/矩、搖架導向的支撐力和摩擦力等，炮身將產生劇烈的振動現象。尤其是對高射速發射的高炮起落部分而言，將承受連續發射沖擊，炮身結構有可能產生共振。因此，炮身結構的固有特性將直接影響著火炮的射擊精度。

針對火炮炮身設計及其對影響火炮射擊精度的研究，吳東亞[2]等人對加長坦克炮身管進行了仿真分析，證明其達到了設計的要求，為坦克炮身管的動力響應分析和進一步的結構優化設計提供了參考；鄧劍[3]等人建立了身管振動動力學模型，通過改變模型中搖架前后襯套距離，為減小炮口振動設計提供了依據；史躍東[4]等人建立了移動彈丸作用下身管的橫向振動模型，對不同彈速激勵下的身管振動響應進行了數值仿真，討論了彈丸運動速度與炮口振動幅度的變化規律。

筆者以某車載高炮炮身為研究對象，通過對三維實體幾何模型的簡化，直接導入UG的X_T格式文件，應用Workbench軟件的裝配件接觸關系自動識別、接觸建模功能，對復雜的車載高炮炮身幾何模型進行高質量的網格處理[5]，對某車載高炮炮身在搖架導向支撐的約束下進行了模態分析，得到了炮身的固有頻率及其振型。在此基礎上，針對不同質量的炮口裝置，以及復進簧前支撐環位置對炮身模態的影響進行了仿真，進一步分析了炮身振型與自動炮射速之間的關系，為分析提高車載高炮的射擊精度打下一定基礎。

1　某車載高炮炮身有限元模型

1.1幾何模型

某車載高炮炮身由炮口裝置、身管和炮尾組成，其通過炮尾導軌和炮身復進簧前、后支撐環安裝于搖架及其頸筒上，如圖1所示。

為保證炮身結構有限元的劃分網格質量和求解效率。在保證車載高炮結構主要力學特征的前提下簡化炮身的幾何模型。模型簡化規則：

1)略去某些非承載件、裝飾件以及對車載高炮部件動態剛強度影響較小的結構特征，如圓孔、螺紋孔、圓角和倒角等。

2)保證各部件的質量和質心同原始模型基本一致。

3)將一些曲率較小的結構件簡化為直的結構件。

利用UG軟件建立的車載高炮炮身的幾何模型如圖2所示。

1.2有限元模型

1.2.1材料屬性設置

身管和炮尾的材料均選擇炮鋼PCrNiMoVA，其彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 801 kg/m3。

1.2.2炮口裝置設置

由于炮口裝置結構復雜，劃分網格不易，因此將炮口裝置作為集中質點作用于身管口部。該炮口裝置的質量為22.4 kg，質心坐標為(4 734.7，-111，-197.1)mm。在身管上施加質量點的位置如圖3所示。

1.2.3網格劃分

在有限元分析中，網格的劃分是有限元計算的基礎，網格質量的好壞直接影響計算結果的準確性。劃分網格的數量越多，分析精度越高，同時也需要更大的計算機內存和消耗更多的運算時間。因此，劃分網格是需要在分析精度和資源使用方面進行權衡。Workbench中的網格劃分非常智能化，可以在自動生成網格的同時對精度要求較高的區域自動調節網格密度，得到的網格質量較高[6]。

筆者根據炮身大小選取單元大小自動進行網格劃分后，在模態分析mesh分支下的statistics選擇Element Quality對網格的質量進行檢查，調整單元大小和類型直至結果都接近1為止。最后對車載高炮炮身選擇的網格單元大小為15 mm，節點總數為357 737個，單元總數為229 646個，如圖4所示。

1.2.4約束處理

在炮身的有限元模型中，在復進簧前、后支撐環和炮尾與搖架滑軌接觸地方添加約束。其中，復進簧前、后支撐環處施加圓柱面約束；在炮尾與搖架滑軌接觸面施加固定約束。

2　某車載高炮炮身模態分析

2.1炮身固有頻率分析

在Workbench中的modal模塊下可計算得到炮身的1～200階固有頻率。由于低階頻率對系統的振動特性影響最大，故取炮身的前10階模態進行分析，表1為炮身前10階固有頻率及其振動周期，圖5～10為炮身前6階固有振型。

表1　 炮身前10階固有頻率及其振動周期

從炮身模態計算結果可以看出：炮身的前10階固有頻率在11.532～379.01 Hz之間，振型為俯仰、水平交錯有規律的振動。

2.2炮身固有頻率與自動機射速匹配分析

火炮持續高頻射擊時，相當于給炮身施加一定頻率的沖擊載荷，出于對射擊精度的考慮，必須使射擊頻率遠離炮身以上各階固有頻率。

已知該車載高炮的射速為120發/min，即射擊頻率為2 Hz。與表1對比可知，射擊頻率遠離炮身的各階固有頻率，身管不會發生共振，設計滿足使用要求。

2.3復進簧前支撐環位置對炮身模態影響分析

搖架頸筒通過復進簧前支撐環對炮身具有支撐作用。現將復進簧前支撐環在炮身的固定位置向前移動50 mm，其他約束條件不變，對炮身模態進行計算，得到炮身前10階固有頻率、振動周期見表2。

表2　復進簧前支撐環前移的炮身模態分析結果

將表2對比表1可知，復進簧前支撐環前移后固有頻率在前4階稍有增大，后6階稍有減小，振動周期變化與固有頻率相反，振型的變化規律基本一致。彈丸出炮口的時刻也避開了振動速度最大的時刻，對射擊密集度的影響相對較小，各階自振頻率均小于射擊頻率2 Hz。因此，證明了炮身后坐過程中，復進簧前支撐環前移對炮身模態的影響不大。

2.4炮口裝置質量對炮身模態影響分析

在設計范圍內，筆者把炮口裝置的質量由22.4 kg改為15 kg。其他約束條件不變，對炮身模態進行計算，得到炮身前10階固有頻率、振動周期見表3。

表3　不同炮口裝置質量的炮身模態分析結果

將表3對比表1可知，減小炮口裝置的質量，得到的固有頻率值比原來均偏大一些，但炮身振型的變化規律基本是一致的。質量增大則固有頻率值均變小，其他變化亦不大。彈丸出炮口的時刻也避開了振動速度最大的時刻，對射擊密集度的影響相對較小，各階自振頻率均小于射擊頻率2 Hz。因此改變炮口裝置質量對炮身模態分析影響不大。

3　結論

針對某車載高炮炮身射擊時，有可能出現共振問題，筆者應用Workbench軟件對其行了模態分析計算與研究，主要結果如下：

1)該車載高炮炮身結構的設計是合理的，其各階固有頻率遠離自動炮射擊頻率。

2)復進簧前支撐環前移和炮口裝置質量在設計范圍變化對炮身固有頻率和振動周期影響不大，振型變化規律基本保持一致。

3)得到了一種快速檢測高炮炮身結構設計是否合理的方法，為車載高炮的動力響應分析和進一步的結構優化設計提供了理論參考依據。

References)

[1]談樂斌，張相炎，管紅根，等．火炮概論[M]．北京: 北京理工大學出版社，2003．

TAN Lebin, ZHANG Xiangyan,GUAN Honggen, et al. Artillery survey[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2003. (in Chinese)

[2]吳東亞，邢宏光，崔軍．基于虛擬樣機技術的某型坦克炮炮身模態分析[J]．火力與指揮控制，2011,36(7)：65-67．

WU Dongya, XING Hongguang, CUI Jun. Modal analysis on a certain tank gun barrel based on virtual prototyping technology[J]. Fire Control and Command Control, 2011,36(7)：65-67. (in Chinese)

[3]鄧劍，郭寶全，韓海濤．基于搖架約束的炮口振動仿真分析[J]．計算機仿真，2012,29(9)：14-16．

DENG Jian, GUO Baoquan, HAN Haitao. Study on muzz-le vibration based on projectile-barrel rigid-flexible coup-ling and contact/impact[J]. Computer Simulation, 2012,29(9)：14-16. (in Chinese)

[4]史躍動，王德石．艦炮振動的剛柔耦合動力學分析[J]．彈道學報，2010，22(1)：37-39．

SHI Yuedong, WANG Deshi. Vibration analysis of naval gun by rigid-flexible coupling dynamics[J]. Journal of Ballistics, 2010,22(1)：37-39. (in Chinese)

[5]張洪才，何波．有限元分析——ANSYS 13.0從入門到實戰[M]．北京: 機械工業出版社，2013．

ZHANG Hongcai, HE Bo. The analysis of finite element：ANSYS 13.0 from the introduction to the master[M]. Beijing: China Machine Press, 2013. (in Chinese)

[6]司豪杰，田哲文，梅小明，等．基于Workbench的客車車身骨架模態分析[J]．北京汽車，2013(4)：9-12．

SI Haojie,TIAN Zhewen,MEI Xiaoming, et al. Modal analysis on the bus body frame based on Workbench[J]. Beijing Motor Vehicle,2013(4)：9-12. (in Chinese)

Modal Analysis of a Trucked Anti-aircraft Gun Barrel Based on Workbench

LYV Jiaoke, CHENG Guangwei, HU Yong, GAO Xin, WANG Huating

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

The natural modal of the barrel plays a very important role in dynamic performances of the whole gun and firing accuracy of the anti-aircraft gun. In response to the structure features and constraint conditions of the trucked anti-aircraft gun barrel, the Workbench software is applied to establish the finite element modal of the barrel. Through modal analysis, the inherent frequency and mode of vibration of the trucked anti-aircraft gun barrel in constraint condition are worked out. Based on this, in response to the muzzle device of different qualities and the recoil spring’s front tube supporting position affecting the modal of the barrel, the simulation analysis is made, which further analyzes the relationship between the barrel formation and automatic gun’s firing rate. This can provide a foundation for the improvement of the firing accuracy of the trucked anti-aircraft gun.

Workbench; gun barrel; modal analysis; inherent frequency

2015-06-23

呂佼珂(1990—)，女，碩士研究生，主要從事火炮設計技術研究。E-mail：263330120@qq.com

TJ303

A

1673-6524(2016)01-0036-04