梁彎曲振動的鍵合空間表示及其在炮口擾動分析中的應用

林圣業,王茂森,謝楊楊,李勇,戴勁松

(1.南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094;2.西北機電工程研究所,陜西 咸陽 712000)

0 引言

梁的彎曲振動問題一直是學術界和工程界的研究熱點。目前,國內外學者已開展了大量關于梁彎曲振動的研究[1-3],分析方法主要包括解析法[4]、有限元法[5]和傳遞矩陣法[6]等。這些方法各具特色,均已在梁彎曲振動分析中獲得廣泛應用。但應該看到,以上方法對外接口方式單一,不能很方便地嵌入到多能量范疇耦合的復雜系統動力學模型中。如針對火炮開展連發射擊條件下的發射動力學研究時,往往需要聯合仿真[7],費效比高。

鍵合圖法[8-10]根據能量守恒,采用統一的方式描述多能量范疇物理量,是解決上述問題行之有效的方法。如慣性元-容性元(IC)混合場鍵合圖法[11]、雙功率流鍵合圖法[12]和拉格朗日鍵合圖法[13]等,都在梁彎曲振動分析中獲得了成功應用,取得了良好效果。然而,傳統的鍵合圖理論將平動和轉動視為兩個能量范疇的運動,為表征梁彎曲的平動-轉動耦合作用,鍵合圖拓撲結構十分復雜,給因果關系的確定帶來了困難,不利于發揮鍵合圖法自動符號推導狀態方程的獨特優勢。

本文針對梁發生小撓度彎曲振動的特點,在滿足功率守恒的條件下將平動和轉動集成到一個能量范疇,構建梁彎曲振動的鍵合空間表示方法,繼而建立梁彎曲振動的鍵合空間模型,推導系統狀態方程,分析自由梁的固有頻率特性,以驗證梁彎曲振動系統鍵合空間模型的正確性,再將之嵌入到某火炮自動機發射系統動力學模型中,開展連發射擊條件下的炮口擾動分析,通過射擊試驗驗證所提方法的有效性。

1 梁彎曲振動鍵合空間模型

1.1 梁的鍵合空間表示

以Timoshenko梁為研究對象,根據質量不變原則和轉動慣量不變原則,將梁離散成由N-1個彈簧聯接而成的N個集中質量-無質量剛桿組合。定義梁單元的勢空間向量、流空間向量、動量空間向量和位變空間向量分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

根據功率流和因果關系繪制梁彎曲振動的拓撲結構圖,如圖1所示。圖1中,集中質量表示為共流結1和慣性元件I的組合,剛桿表示為轉換器TF,彈簧表示為共勢結0和容性元件C的組合。

圖1 梁彎曲振動的鍵合空間拓撲結構圖Fig.1 Bond space model for the beam unit

1.2 梁彎曲振動系統狀態方程

從圖1可以看出,獨立的元件為Ii(i=1,2,…,N)和Ci,i+1(i=1,2,…,N-1),其特性方程如下：

1)慣性元件：

(5)

2)容性元件：

(6)

(7)

(8)

l為梁單元等效剛桿的長度,E為彈性模量,IB為慣性矩,ν為剪切系數。

(9)

(10)

式中：Ti為轉換模數矩陣,根據幾何關系得到第i個集中質量左、右剛桿的模數矩陣分別為

(11)

(12)

2 梁彎曲振動固有頻率求解

2.1 固有頻率求解方法

令：

(13)

將梁彎曲振動系統的狀態方程寫成矩陣形式：

(14)

(15)

(16)

式(14)的特征值問題為

λψ=Aψ

(17)

式中：λ為特征值;ψ為特征向量。

按王艾倫等[14]提出的方法求得特征值和相應的特征向量,分別為

(18)

(19)

位移模態的表達式為

ψuξ=diag[(IηSξ)-1]ψpξ

(20)

式中：ξ=1,2,…,β;η=1,2,…,α;Sξ為Laplace算子;α和β分別為獨立動量變量和位變變量的個數。

2.2 算例

取一長度為1.2 m的等截面均質自由梁,梁截面為圓環形,圓環外徑為50 mm,內徑為30 mm,材料密度7 800 kg/m3,材料的彈性模量為204 GPa,泊松比為0.26。由于所研究自由梁是各向同性的,因此僅計算豎直方向的固有頻率。為驗證所建立的梁彎曲振動鍵合空間模型,同時采用解析法[15]計算自由梁的固有頻率和相應振型：

(21)

Wn(x)=coshsnx+cossnx+vn(sinhsnx+sinsnx)

(22)

式中：ωn為第n階固有頻率,n=1,2,…;Wn(x)為與第n階固有頻率對應的振型;sn和vn為系數,表達式分別為

(23)

(24)

lb為梁的總長度。

采用鍵合空間法和解析法得到的固有頻率列于表1,相應的振型如圖2～圖7所示。從對比結果可以看出,鍵合空間法與解析法的計算結果吻合較好,固有頻率最大相對誤差為0.796 0%,振型相關系數(MAC)不小于0.997 2,說明所建立的梁彎曲振動鍵合空間模型是正確的。

表1 自由梁前6階固有頻率Table 1 First six natural frequencies of the free beam

圖2 1階固有振型Fig.2 First-order natural mode of vibration

圖3 2階固有振型Fig.3 Second-order natural mode of vibration

圖4 3階固有振型Fig.4 Third-order natural mode of vibration

圖5 4階固有振型Fig.5 Fourth-order natural mode of vibration

圖6 5階固有振型Fig.6 Fifth-order natural mode of vibration

圖7 6階固有振型Fig.7 Sixth-order natural mode of vibration

3 炮口擾動分析

3.1 發射動力學模型

炮口擾動直接影響射擊密集度,一直是火炮發射動力學領域的研究熱點[16-21]。將第1節建立的梁彎曲振動鍵合空間模型嵌入到火炮自動機發射動力學模型中,同時考慮與彈丸的耦合作用,開展炮口擾動分析。

根據某火炮自動機結構特征,將其簡化成如圖8所示的剛柔耦合模理,繼而繪制鍵合空間拓撲結構圖,如圖9所示。圖9中各結點下標的含義列于表2。

表2 各結點下標的含義Table 2 Description of the subscripts

圖8 某火炮自動機物理模型Fig.8 Physical model of the automatic gun

圖9 某火炮自動機鍵合空間模型Fig.9 Bond space model of the automatic gun

從圖9可以看出,除了慣性元件I1外,其他所有慣性元件和容性元件都是獨立的。推導某火炮自動機系統的狀態方程如下：

1)對于炮箱,獨立的狀態變量包括炮箱與炮管交界處動量p2、后導軌位變q1,r、前導軌位變q1,f。狀態方程為

(25)

(26)

(27)

式中：E1為炮膛合力對炮箱質心的作用;C1,f和C1,r分別為炮箱前、后導軌支撐的等效柔度矩陣;n為力指數;R1,f和R1,r分別為炮箱前、后導軌支撐的等效阻尼矩陣。C1,f、C1,r、n、R1,f和R1,r可由L-N接觸力模型[22]計算。

2)對于炮管,獨立的狀態變量包括炮管離散段動量pi(i=3,4,…,N)、相鄰炮管離散段交界處相對位變qi,i+1(i=2,3,…,N-1)、炮管上安裝緩沖裝置處(xi=L)位變qi。狀態方程為

(28)

(29)

(30)

式中：Ei、Ci、Ri分別為緩沖裝置對炮管離散段作用的等效初力、柔度矩陣和阻尼矩陣;xi為炮管離散段的軸向坐標;L為炮管上與緩沖裝置連接處的軸向坐標;lr和lf分別為彈帶和前定心部的軸向坐標;Ri,r和Ri,f分別為炮管內壁對彈帶和前定心部支撐的等效阻尼矩陣;δ(t)為分段函數,其表達式為

(31)

t為時間。

3)對于彈丸,獨立的狀態變量包括彈丸動量pN+1、彈帶相對各個炮管離散段的位變qi,r(i=2,3,…,N)、前定心部相對各個炮管離散段的位變qi,f(i=2,3,…,N)。狀態方程為

(32)

(33)

(34)

采用4階龍格-庫塔法求解方程組式(25)～式(34),得到火炮連發射擊條件下的炮口擾動qN。

3.2 仿真與試驗結果對比

將火炮自動機安裝于水平固定臺架上開展連發射擊試驗。采用雙目立體視覺測試系統測量炮口擾動,測試原理和實景圖分別如圖10和圖11所示。某火炮自動機主要參數列于表3。由內彈道計算得到膛壓曲線、彈丸行程和速度曲線分別如圖12～圖14 所示。計算得到彈帶及前定心部與炮管內壁的接觸力曲線分別如圖15和圖16所示。

表3 某火炮自動機主要參數Table 3 Parameters of the automatic gun

圖10 炮口擾動測試原理Fig.10 Test principle for measuring the muzzle disturbance

圖11 測試實景圖Fig.11 Setup for measuring muzzle disturbance

圖12 膛底壓力-時間曲線Fig.12 Breech pressure

圖13 彈丸行程-時間曲線Fig.13 Displacement of the projectile with time

圖14 彈丸速度-時間曲線Fig.14 Velocity of the projectile with time

圖15 彈帶與炮管接觸力Fig.15 Contact force between the band and the barrel

圖16 彈丸前定心部與炮管接觸力Fig.16 Contact force between the front bourrelet of the projectile and the barrel

采用本文所建模型仿真的垂向炮口擾動與測試數據對比結果如圖17所示。從圖17中可以看出,仿真與試驗結果吻合較好,說明采用本文方法開展炮口擾動分析是可行的。

圖17 仿真與試驗結果對比Fig.17 Comparison between simulated and experimental results

4 結論

本文構建了梁彎曲振動的鍵合空間建模和固有頻率特性分析方法,結合某火炮自動機具體結構,開展了十連發射擊條件下的炮口擾動分析。得出主要結論如下：

1)構建了Timoshenko梁小撓度彎曲振動的鍵合空間表示方法,相較于傳統鍵合圖法,簡化了圖形的拓撲結構,更易于確定因果關系和符號推導狀態方程。

2)提出了梁固有頻率特性分析的鍵合空間法,相較于其他方法,包含動量模態和變形模態,具有更多的模態信息。

3)創建了考慮炮管彎曲變形的火炮自動機系統動力學模型,能夠準確計算自動機在連發射擊條件下的炮口擾動。