某火炮動態特性與射擊頻率的匹配性分析

李 猛

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所， 鄭州 450015)

【裝備理論與裝備技術】

某火炮動態特性與射擊頻率的匹配性分析

李 猛

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所， 鄭州 450015)

對火炮的俯仰部分進行模態分析，得到前10階模態振型和固有頻率，然后將炮身的后坐運動簡化為簡諧運動，對炮身部分進行諧響應分析，得到激勵頻率對炮口振動的影響規律。這樣即可選擇合適的射擊頻率，避開火炮俯仰部分固有頻率，減小激勵頻率對炮口振動的影響。

火炮；動態特性；射擊頻率

火炮是一個復雜的振動系統，以有限元方法進行模態及其他動力學分析，需要對火炮模型進行合理簡化。根據火炮結構特點，建立包含身管和搖架組成的俯仰部分模型進行模態分析，得到俯仰部分以及身管的的模態振型和固有頻率；然后對身管部分進行諧響應分析。根據計算結果，分析射擊頻率與俯仰部分模態參數、身管模態參數的匹配性。

1 模型的建立

以原有俯仰部分三維結構為基礎，在保證質量和轉動慣量基本不變的前提下，對結構進行簡化，建立適合有限元分析的三維模型。

對模型賦予材料屬性，材料密度為：7.8e-9 t/mm3，彈性模量：210 kPa。對模型劃分網格，炮身使用六面體網格，搖架關重部位采用六面體網格，非關重部位使用四面體網格。炮身模型如圖1所示，A處為炮尾導槽，后坐過程中炮尾導槽在搖架導軌上滑動。俯仰部分模型如圖2所示，A處為炮尾導槽和搖架導軌的接觸部位，B處為搖架耳軸部位。進行俯仰部分模態分析時，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 俯仰部分模態分析

在考慮重力作用的模型上進行靜力學分析，得到重力載荷下模型的應力應變。以靜力學分析得到結果為新模型，在新模型上對俯仰部分進行模態分析，獲取前10階模態振型和固有頻率，1階模態振型如圖3所示。

圖3 俯仰部分1階振型

俯仰部分前10階模態振型對應的固有頻率如表1所示。

表1 俯仰部分前10階模態振型的固有頻率

3 身管部分諧響應分析

火炮射擊時，炮身在火藥力、復進機力、制退機力等力的作用下作往復運動，可以看作承受強迫位移的正弦波載荷，如圖4所示。根據該火炮射擊速度，在0～40 Hz頻率區間對炮身進行諧響應分析，計算在該頻率的載荷激勵下炮口的位移響應，以此判斷各頻率值載荷對炮口位移的影響。

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下的疊加情況如圖7所示。

圖4 火炮射擊時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，峰值點應該是b點和f點，e點和g點是谷值點。在1.3 Hz(a點)至5.4 Hz(c點)區間的位移出現一個最大波峰(b點)、16.5 Hz(d點)至22 Hz(h點)區間位移出現一個波峰(f點)和兩個波谷(e點和g點)；其中出現最大峰值的頻率為4 Hz(b點)最小谷值的頻率為19.0 Hz(e點)。

在圖6中，4.2 Hz(a點)至5.2 Hz(c點)區間位移出現一個最大波峰(b點)、17.5 Hz(d點)至21 Hz(e點)區間位移出現兩個波峰和一個波谷，但峰谷均不太明顯。出現最大峰值的頻率為4.5 Hz(b點)。

通過將橫向、縱向的位移圖放在同一頻率坐標下疊加，其結果如圖7。從圖7可觀測到合成后的橫向、縱向位移?？梢娫?.3 Hz(a點)至5.4 Hz(c點)區間位移出現一個最大波峰(b點)、17.5 Hz(d點)至21 Hz(g點)位移出現兩個波峰(e點和f點)。

4 結論

1) 根據俯仰部分模態分析結果，為避免共振，該火炮射擊頻率需避開表1所示各階頻率；

2) 根據炮身諧響應分析結果，在1.3～6.2 Hz、17.5～22H z的激勵頻率下，炮口位移出現波峰波谷，可能出現嚴重共振。

[1] 王德石.火炮振動理論[M].北京:兵器工業出版社,2015.

[2] 哈爾濱工程大學艦炮研究所.基于振動理論的艦炮精度和可靠性的動態設計與分析[R].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2014.

[3] 盧其輝.復雜結構的動態響應有限元分析技術和應用[D].南京:南京理工大學,2011.

[4] 顧培英，鄧昌，吳福生.結構模態分析及其損傷診斷[M].南京:東南大學出版社,2008.

[5] 芮筱亭.火箭炮振動分析的多體系統有限元傳遞矩陣法[J].兵工學報,2007,28(9):1036～1040.

[6] 歐陽光耀,王樹宗,王德石.火炮身管振動特性及減振研究[J].海軍工程學院學報,1999(2):79-87.

[7] 靳青梅，張相炎，崔二巍.火炮新型動力后坐試驗方法[J].兵工自動化，2015(5):7-10.

[8] 魏浩，于存貴，崔二巍.膛內時期后坐部分兩種動量計算方法分析[J].火力與指揮控制，2015(7)：74-78.

(責任編輯周江川)

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.某火炮動態特性與射擊頻率的匹配性分析[J].兵器裝備工程學報，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.

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