某火炮動(dòng)態(tài)特性與射擊頻率的匹配性分析

李 猛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所， 鄭州 450015)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

某火炮動(dòng)態(tài)特性與射擊頻率的匹配性分析

李 猛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所， 鄭州 450015)

對(duì)火炮的俯仰部分進(jìn)行模態(tài)分析，得到前10階模態(tài)振型和固有頻率，然后將炮身的后坐運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，對(duì)炮身部分進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到激勵(lì)頻率對(duì)炮口振動(dòng)的影響規(guī)律。這樣即可選擇合適的射擊頻率，避開(kāi)火炮俯仰部分固有頻率，減小激勵(lì)頻率對(duì)炮口振動(dòng)的影響。

火炮；動(dòng)態(tài)特性；射擊頻率

火炮是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，以有限元方法進(jìn)行模態(tài)及其他動(dòng)力學(xué)分析，需要對(duì)火炮模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。根據(jù)火炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立包含身管和搖架組成的俯仰部分模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到俯仰部分以及身管的的模態(tài)振型和固有頻率；然后對(duì)身管部分進(jìn)行諧響應(yīng)分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析射擊頻率與俯仰部分模態(tài)參數(shù)、身管模態(tài)參數(shù)的匹配性。

1 模型的建立

以原有俯仰部分三維結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在保證質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量基本不變的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立適合有限元分析的三維模型。

對(duì)模型賦予材料屬性，材料密度為：7.8e-9 t/mm3，彈性模量：210 kPa。對(duì)模型劃分網(wǎng)格，炮身使用六面體網(wǎng)格，搖架關(guān)重部位采用六面體網(wǎng)格，非關(guān)重部位使用四面體網(wǎng)格。炮身模型如圖1所示，A處為炮尾導(dǎo)槽，后坐過(guò)程中炮尾導(dǎo)槽在搖架導(dǎo)軌上滑動(dòng)。俯仰部分模型如圖2所示，A處為炮尾導(dǎo)槽和搖架導(dǎo)軌的接觸部位，B處為搖架耳軸部位。進(jìn)行俯仰部分模態(tài)分析時(shí)，在搖架的耳軸處(B處)施加邊界約束，約束所有自由度，在A處將炮位和搖架固連到一起，考慮重力的作用。

圖1 炮身部分模型

圖2 俯仰部分模型

2 俯仰部分模態(tài)分析

在考慮重力作用的模型上進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到重力載荷下模型的應(yīng)力應(yīng)變。以靜力學(xué)分析得到結(jié)果為新模型，在新模型上對(duì)俯仰部分進(jìn)行模態(tài)分析，獲取前10階模態(tài)振型和固有頻率，1階模態(tài)振型如圖3所示。

圖3 俯仰部分1階振型

俯仰部分前10階模態(tài)振型對(duì)應(yīng)的固有頻率如表1所示。

表1 俯仰部分前10階模態(tài)振型的固有頻率

3 身管部分諧響應(yīng)分析

火炮射擊時(shí)，炮身在火藥力、復(fù)進(jìn)機(jī)力、制退機(jī)力等力的作用下作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可以看作承受強(qiáng)迫位移的正弦波載荷，如圖4所示。根據(jù)該火炮射擊速度，在0～40 Hz頻率區(qū)間對(duì)炮身進(jìn)行諧響應(yīng)分析，計(jì)算在該頻率的載荷激勵(lì)下炮口的位移響應(yīng)，以此判斷各頻率值載荷對(duì)炮口位移的影響。

炮口平行于地面的橫向位移如圖5所示，垂直于地面的縱向位移如圖6所示，兩位移在固有頻率坐標(biāo)下的疊加情況如圖7所示。

圖4 火炮射擊時(shí)炮身的多周正弦波位移

圖5 炮口的橫向位移

圖6 炮口的縱向位移

圖7 炮口位移的疊加

在圖5中，峰值點(diǎn)應(yīng)該是b點(diǎn)和f點(diǎn)，e點(diǎn)和g點(diǎn)是谷值點(diǎn)。在1.3 Hz(a點(diǎn))至5.4 Hz(c點(diǎn))區(qū)間的位移出現(xiàn)一個(gè)最大波峰(b點(diǎn))、16.5 Hz(d點(diǎn))至22 Hz(h點(diǎn))區(qū)間位移出現(xiàn)一個(gè)波峰(f點(diǎn))和兩個(gè)波谷(e點(diǎn)和g點(diǎn))；其中出現(xiàn)最大峰值的頻率為4 Hz(b點(diǎn))最小谷值的頻率為19.0 Hz(e點(diǎn))。

在圖6中，4.2 Hz(a點(diǎn))至5.2 Hz(c點(diǎn))區(qū)間位移出現(xiàn)一個(gè)最大波峰(b點(diǎn))、17.5 Hz(d點(diǎn))至21 Hz(e點(diǎn))區(qū)間位移出現(xiàn)兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷，但峰谷均不太明顯。出現(xiàn)最大峰值的頻率為4.5 Hz(b點(diǎn))。

通過(guò)將橫向、縱向的位移圖放在同一頻率坐標(biāo)下疊加，其結(jié)果如圖7。從圖7可觀測(cè)到合成后的橫向、縱向位移?？梢?jiàn)在1.3 Hz(a點(diǎn))至5.4 Hz(c點(diǎn))區(qū)間位移出現(xiàn)一個(gè)最大波峰(b點(diǎn))、17.5 Hz(d點(diǎn))至21 Hz(g點(diǎn))位移出現(xiàn)兩個(gè)波峰(e點(diǎn)和f點(diǎn))。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)俯仰部分模態(tài)分析結(jié)果，為避免共振，該火炮射擊頻率需避開(kāi)表1所示各階頻率；

2) 根據(jù)炮身諧響應(yīng)分析結(jié)果，在1.3～6.2 Hz、17.5～22H z的激勵(lì)頻率下，炮口位移出現(xiàn)波峰波谷，可能出現(xiàn)嚴(yán)重共振。

[1] 王德石.火炮振動(dòng)理論[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2015.

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(責(zé)任編輯周江川)

Matching Analysis of Dynamic Characteristics and Firing Frequency of Gun

LI Meng

(The 713rdResearch Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China)

The modal analysis of the pitching part of the gun was carried out to obtain the first ten natural frequencies and mode shapes. The gun recoil motion was simplified as a simple harmonic motion. Through the harmonic response analysis of the barrel, the effect of excitation frequency on muzzle vibration was obtained. In order to avoid the natural frequency of pitching part and reduce the muzzle vibration generated by excitation, the appropriate firing frequency was obtained.

gun; dynamic characteristic; firing frequency

2016-08-03；

2016-09-15

李猛(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事火炮研究。

10.11809/scbgxb2017.01.011

李猛.某火炮動(dòng)態(tài)特性與射擊頻率的匹配性分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(1):44-46.

format:LI Meng.Matching Analysis of Dynamic Characteristics and Firing Frequency of Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):44-46.

TJ3

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