艦炮建模仿真應用研究

顏世剛，齊亞峰

(1.中國人民解放軍92941部隊41分隊， 遼寧 葫蘆島 125001； 2.中國人民解放軍92941部隊43分隊， 遼寧 葫蘆島 125001)

艦炮機械結構復雜，工藝、材料、加工精度要求高，其設計和加工是否滿足要求，決定著艦炮射擊的穩定性和可靠性。在實際試驗鑒定中，為了檢測和考核艦炮是否滿足各項指標和設計要求，最有效的手段是實彈射擊，但是實彈射擊成本高、組織實施難度大。通過艦炮有限元建模仿真，能夠輔助分析和評估艦炮的各項性能指標，為試驗分析提供有力的理論和數據支撐?；谟邢拊呐炁诮７抡?，模型的好壞直接影響評估分析的準確性[1-2]。艦炮是一個高度復雜的機械系統，零部件眾多，發射過程具有很強的非線性，無論是建模還是仿真均有很大難度[3]，本文分析了基于有限元的艦炮仿真建模應用中的一些問題和技巧，結合不同仿真軟件對艦炮仿真分析，如HyperMesh和ABAQUS的聯合仿真；HyperMesh為前處理軟件，能夠建立各種復雜結構的有限元模型，指標全面；ABAQUS在解決非線性問題，尤其是解決復雜的接觸、碰撞問題等方面有很強的優勢[4-5]。

1 有限元建模分析

在有限元分析中，首先是對所要研究的對象進行進行物理結構的分析、歸類，選擇合適的物理模型進行有限元分析建模。不同物理模型之間的區別在于假定的幾何模型不同[6-7]。在研究艦炮有限元建模中，采用的實體單元的形狀有六面體和楔形體，殼單元的形狀以四邊形為主，有少量三角形單元，實際結構要根據各自的物理特征選擇相應類型的單元。

實體部件在結構建模中要進行網格化，網格化的精細程度決定了模型的逼真度，同時也影響仿真的速度和精度。當進行結構建模的靜態分析時，對于位移分析，模型網格的精細度可以降低，如果求解應力分布，模型網格的精細度要適當提高[8]。

在研究的艦炮有限元建模中，網格尺寸選取的原則是零部件分析的單元基本尺寸5 mm，最小單元尺寸2 mm；系統分析的單元基本尺寸10 mm，最小單元尺寸4 mm；特殊精度要求的區域適當細化。

網格疏密分布是指根據需要在結構的不同部位分布不同的網格密度[9-11]。位移分析、結構固有特性分析、溫度場分析，盡量使模型網格均勻分布；在梯度變化較大的結構模型部位(如應力集中區)，盡量采用密集網格。艦炮結構建模重點關注的質量指標有雅可比、外觀比、翹曲度、偏斜度、內角等。

在艦炮結構建模時，由于其結構復雜，部件繁多，形狀各異，因此建模形成的單元類型多樣，在互相結合時，不同類型單元的節點自由度和節點配置會出現不一致的情況，為確保不同結構的模型單元在交界面上的位移協調性，殼元與體元的連接采用SHELL-TO-SOLID耦合約束[11]，不同類型單元的連接如圖1、圖2所示。

圖1 實體單元與殼單元連接

圖2 殼單元與殼單元連接

2 艦炮實體模型簡化與處理原則

實體建模通常不使用HyperMesh和ABAQUS，艦炮CAD模型是在其他專用三維造型軟件中按照其實際尺寸完成，完成后導入HyperMesh和ABAQUS軟件中進行有限元建模處理。

有限元分析中有兩類坐標系：全局坐標系和局部坐標系。本文中全局坐標系，定義如下：直角坐標系o_xyz的三軸按如下方式定義：x軸沿身管軸線指向炮口方向為正，y軸豎直向上為正方向，z軸以右手定則確定。局部坐標系是用戶自己定義的坐標系，目的是為了加載、約束或裝配的方便。當載荷或約束的方向與全局坐標系不一致時，應采用局部坐標系。

艦炮CAD模型在專用三維造型軟件中完成，而有限元網格劃分采用HyperMesh軟件，兩種軟件之間進行數據交流時需要格式轉換。實體模型導入到HyperMesh軟件中時，首先要注意各模型單元之間的位置不能錯亂、關系必須正確；其次各模型單元的幾何模型的尺寸必須正確，允許各面有微小缺陷、裂縫和自由邊；最后根據剛強度建模的需求，對非受力件做簡化處理，對各面有微小缺陷、裂縫和自由邊的情況利用HyperMesh的對應工具進行修補[13]。

3 某型艦炮有限元建模仿真示例

艦炮的有限元建模采用模塊化思想，這提高了建模的效率，節省了時間和精力，便于后期方案的修改、重組分析和模型修改完善。為了保證導入模型的質量，我們把全炮的實體模型分成幾個結構部件單獨轉入轉出，這符合模塊化建模的思想。在進行實體部件建模時，將艦炮劃分為后坐、搖架、上架和底盤等4個主要部分，每個部分劃分成若干小部件單元，每個小部件又由形狀各異的零件組成[12]。各個模塊既可以單獨分析，又可以與其他模塊通過定義約束關系組合在一起分析。需要對某些部件或零件結構進行修改時，只需取出該部分所在的模塊進行修改，其他的模塊不需要作任何變動。

以實際定型的某新型艦炮為研究對象，其需要建模的部件主要分為四部分：后座、搖架、上架、底盤。對艦炮各主要部件的仿真模型建立正確的連接關系，并施加各種載荷，完成其靜態模式下應力應變的仿真。

1) 主要部件有限元建模網格化原則

后坐部分主要包括身管、炮尾、炮閂及反后坐裝置上的運動部件。炮尾和身管均采用三維實體單元，單元類型以六面體為主，含少量楔形體。

搖架的前襯套、搖架筒、左右耳軸、齒弧等采用三維實體單元，其余部分采用殼單元。

上架兩側板、底板、筋板采用殼單元，耳軸室采用三維實體單元。

底盤上的座圈采用三維實體單元，其余采用殼單元。

2) 機構接觸碰撞建模原則

艦炮系統中的接觸/碰撞現象具有以下特點：一是受到瞬時沖擊載荷；二是相互接觸的零部件之間有大位移滑動摩擦，如炮身的后坐運動。艦炮接觸/碰撞問題建模的界面如圖3、圖4所示。

圖3 炮身后坐部分接觸/碰撞建模界面

圖4 炮尾與搖架滑軌

3) 連接關系及邊界條件建模

通過HyperMesh二級菜單欄鏈接ABAQUS/CAE，在其Interaction功能模塊定義接觸關系、約束關系、連接關系等[14]，其相互作用主要有以下幾種:

① Interaction定義模型各部分之間或模型與外部環境之間的力學或熱相互作用。

② Constraint定義模型各部分之間的約束關系，如綁定約束、剛體約束等

③ Connector定義模型中的兩點之間或模型與地面之間的連接單元，用來模擬固定連接、鉸接、恒定速度連接、止動裝置、內摩擦、失效條件和鎖定裝置等。

④ 主菜單Special中的Springs/Dashpots定義模型中的兩點之間或模型與地面之間的彈簧和阻尼器。

身管與炮尾之間、炮尾與炮閂、座圈與底盤采用Tie連接(固定連接關系)，上架與搖架之間采用旋轉運動副連接，上架與底盤通過結構固連。采用連接關系建模如圖5～圖8所示。

4) 發射載荷建模

艦炮發射載荷一般有膛底壓力、復進機力、制退機力、重力等，通過菜單欄鏈接ABAQUS/CAE，在其Load功能模塊進行發射載荷建模。ABAQUS/CAE Load功能模塊中的載荷包括集中力、力矩、壓力、板殼邊上的力或彎矩、面上載荷、管壓力、體力、線載荷、重力、螺栓力、位移/轉角、速度/角速度、加速度/角加速度、溫度、聲音壓力、孔隙壓力等[5,14]。其中，膛底壓力的載荷建模如圖9所示，復進機力與制退機力施加方式如圖10所示。

圖7 上架與底盤之間的連接

圖8 座圈與底盤之間的連接

圖9 膛底壓力加載

圖10 復進機力與制退機力加載

5) 有限元模型檢查

艦炮有限元模型的規模一般較大，達到十幾萬至幾十萬個單元，有的模型達到上百萬個單元，幾十個組，上百個連接單元，在建模時難免出現差錯。整個模型建好后要重點檢查零部件間的網絡質量、連接關系、模型與艦炮實體的吻合程度、接觸分析、邊界條件與配重等。

網格質量：檢查自由邊、重復單元、雅可比、外觀比、翹曲度、偏斜度、內角等。要求無重復單元、自由邊、單排單元，焊接邊有兩排以上單元；按照質量檢查文件，無紅色單元，黃色單元不超過5%。

連接關系：檢查螺栓的連接、焊接、粘結、柔性體與剛體的連接、不同類型單元之間的連接等。要求連接關系正確，重要區域的連接無遺漏，無自由單元、重復單元和自由邊，自由度的約束要完全。

邊界條件：檢查載荷的作用點、大小、方向和載荷曲線，檢查約束區域、自由度個數。要求作用點、大小、方向、載荷曲線正確，束條件正確，約束自由度、區域大小合理無沖突。

模型與實體的吻合程度:檢查部件位置、裝配體位置、部件質量、質心位置、轉動慣量、裝配體質量、質心、轉動慣量等。要求每個部件及整個裝配體應處于實際的初始位置，部件及整個裝配體的質量、質心位置和轉動慣量應與實際情況一致。

接觸分析：檢查接觸類型、接觸關系、接觸面、穿透性。要求類型合理、屬性正確，確保接觸面正確、無穿透。

配重：檢查位置、質量、質心、轉動慣量等。要求配重件連接在剛度較大的部件上，質量、質心、轉動慣量等與實體模型匹配。

4 艦炮靜態應力應變的仿真

在艦炮靜態狀態下，選擇不同高低角，輸入不同的載荷，分析艦炮各個部件的應力應變情況，獲取各部件應力和位移變化數據，找出應力位移變化的最大部位，對艦炮測試檢查、故障分析排除提供理論數據支持。艦炮高低角可根據其實際工作狀態選擇多組典型角度，下面選擇極限70°高低角作為研究狀態。

艦炮靜態有限元模型中包括搖架、上架和底盤，不包括后坐部分，后坐部分對搖架的作用通過搖架前、后襯筒對炮身的支持力N1、N2及駐退機力和復進機力來反映。

極限工況高低角：70°；施加的載荷：復進機力Ffj、駐退機力Fzt、自身重力G、炮身對搖架前N1、后襯筒的支持力N2，具體數據如表1所示。

約束：上架座圈與對應的連接部件相接觸的表面為固定約束。

表1 艦炮靜態計算載荷

下面僅通過對搖架的應力應變仿真情況進行分析，其他部件情況仿真分析類似。

搖架強度仿真計算后的應力云圖如圖11所示。

圖11 搖架應力云圖

從計算結果可以看出搖架最大應力為259.1 MPa，位于搖架筒前端靠近制退機筒后方。

搖架剛度仿真計算位移云圖如圖12。左右耳軸中心的變形數據如表2所示。

圖12 搖架位移云圖

從表2可以看出：

1) 左右耳軸中心位移分布為0.499 mm和0.514 mm，變位差為0.015 mm。

2) 左右耳軸中心在x、y、z三個方向的變位差分別為0.008 mm、0.007 mm和0.026 mm。

3) 左右耳軸中心的變位差較小，左右變形基本對稱。

從計算結果可以看出，搖架最大位移為1.702 mm，位于搖架復進機前端，左右耳軸中心位移分布為0.499 mm和0.514 mm，變位差為0.015 mm。

通過以上仿真計算能夠分析出搖架受到最大應力部位和最大應力值，分析出最大形變部位及其形變量，從而結合艦炮技術指標分析其是否符合研制技術要求，也能為艦炮武器的故障定位、分析排除提供理論支持。

表2 左右耳軸中心變形(70°高低角)

5 結論

1) 更加復雜的艦炮運動學仿真，是分析艦炮射擊、開火等運動的應力應變重要手段，其基礎也是基于前期的建模和靜態仿真。

2) 艦炮建立精細有限元模型是一個復雜的工作，首先根據實際裝備建立三維CAD模型，然后進行模型的網格精細劃分，最后對發射載荷、接觸關系、邊界條件、求解策略進行設置。

3) 復進機、制退機是時間、位移、速度的函數，必須在實際工作中對對仿真軟件進行二次開發，正確建立載荷模型。