某击发机构动力学仿真研究

信息技术陈伟,等·某击发机构动力学仿真研究某击发机构动力学仿真研究陈伟12,陈秋红,胡有璋,赵威24,陈瑶°(1.中国人民解放军73853部队江苏南京2118112.南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;3.南京禄口国际机场江苏南京2111134.中国人民解放军75250部队广东广州510800;5.南京军区联勤部信息中心,江苏南京210016)摘要:为了研究击发机构的力学特性,对击发机构零部件进行三维实体建模,考虑拨动子驻栓、发射器推杆和电磁连杄的柔性,利用 Hypermesh软件对它们进行模态分析,生成可被动力学分析软件 ADAMS调用的模态中性文件,建立击发机构刚柔耦合动力学模型,对击发机构进行了刚柔耦合动力学分析和对击发机构机理分析使用方法与手段,分析结果对于火炮击发机构的设计具有一定的参考价值。关键词:击发机构;多体动力学;刚柔耦合; ADAMS中图分类号:TP391.9文献标志码:B文章编号:1671-5276(2015)03-0092-03Research on Dynamic Simulation of Firing MechanismCHEN Wei"2, CHEN Qiu-hong, HU You-zhang, ZHAO Wei, CHEN Yao(1. Unit 73853 of PLA, Nanjing 211811, China2. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;3. Nanjing Lukou International Airport, Nanjing 211113, China; 4. Unit75250 of PLA, Guangzhou 510800, China:5. Nanjing Military Logistics Department Information Center, Nanjing 210016, ChinaAbstract: In order to study the mechanical properties of the firing mechanism, the modeling of the three Solid parts of the firingmechanism is established, considering the flexibility of the cocking lever sear, launcher putter and electromagnetic rod, the modal a-nalysis is done by Hypermesh software, the modal neutral file used by the dynamic analysis software ADAMS is generated, the rigidand flexible coupling dynamics model is established and rigid and flexible coupling dynamics of the firing mechanism is analyzed. Themethods and approaches of its analysis and the design of the artillery are of certain reference valueKeywords: firing mechanism; dynamics of multi-body rigid/flexible coupling; ADAMS0引言击发机构是火炮的重要组成部分,在火炮发射时,击针在冲击力的作用下猛烈地撞击底火,使底火壳发生变形,底火内的击发药受到猛烈的挤压而被点燃,并进而引燃发射药。击发机构包含部件众多,且各部件在工作过程中存在复杂的接触和碰撞关系,因此获取击发机构工作时各部件实际的运动情况,将会为击发机构的结构设计和性能改善提供重要依据1击发机构工作原理研究的击发机构是击锤式击发机构,采用电磁击发图1击发机构三维装配图和手动机械击发两种击发方式,其中手动机械击发方式和电磁击发方式原理基本相同,现仅对采用电磁击发方撞击炮尾中的发射器推杆一撞击发射器杠杆一撞击炮闩式时击发机构的运动情况进行分析。击发机构结构如中的拨动子驻栓一解脱拨动子一释放击锤弹簧和击发击图1所示锤一撞击击针工作原理为2:按压电磁铁击发按钮一击发配电盒—击发电磁铁—电磁铁推动电磁杆—撞击击发挡板一TH中国煤化工CNMHG作者简介:陈伟(1986-),男,安徽阜阳人,硕士研究生,研究方向:高效毁伤ZZHDournal. net. cn E-mlil:ZzHD@ chainajournal. netcn《机械制造与自动化》信息技术陈伟,等·某击发机构动力学仿真研究2击发机构动力学仿真[M]{x(t)}+[C]{x(1)}+[K]{x(t)}={0}(2)由于系统在自由振动时F(t)=0,阻尼对结构的固有频率和振型影响很小,因此可以去掉阻尼项,得到没考虑2.1击发机构刚柔耦合建模流程设计阻尼系统的自由振动方程,如式(3)所示:为了充分模拟击发机构的工作过程,在进行动力学建[M]{x(t)}+[K]{x(t)}={0}模时应该充分考虑系统部件本身的材料和结构所具有的2)结构的固有频率和振型弹性对系统运动产生的影响。故将击发机构所有的部件在实际的应用中,可以把结构的自由振动看成是都作为刚性部件处理是不符合实际的。在本击发机构中,由一系列简谐振动的叠加组成,因此要得到结构自由考虑到拨动子驻栓、发射器推杆、电磁连杆的柔性对仿真振动的固有频率及振型,可以考虑如式(4)所示简谐振结果影响比较大,故将这3个部件进行柔性处理。建立该动的解击发机构刚柔耦合模型的流程如图2所示。X(1)|={φlsin(ot)其中:{q}与时间t无关,只是表示位移{X(t)}的振幅列在 SOLIDWORKS中建立三维实体模型向量;ω表示固有频率。将式(4)代入式(5)可得([K]-o2[M]){q}=0在 Hypermesh中手动划分有限元网格由式(5)可知,只要能够把方程的广义特征值和广义特征向量求解出来,就能够知道结构的固有频率和振型使用 Hypermesh进行模态分析求得的a和{q}就是结构的固有频率以及在此固有频率下的振型。在 Hypermesh中生mn成模态中性文件由经验可知,物体的密度p>0,[M]是对称正定矩阵,没有作处理时[K]是对称半正定阵。不过,假如在实际问在 ADAMS中用柔性部件将刚性部件替换题中有位移约束条件,矩阵[K]经过处理后就是正定在 ADAMS中进行柔耦合试验A=o代人式(5)可得结果满意修改相关参数([K]-A[M])|p|=0由线性代数理论可知,{q}为非零向量,方程(7)有结果分析充要解的条件是行列式[K]-A[M]=0。假如[K]为N阶矩阵,那么式(7)就是特征值A的N图2击发机构刚柔耦合模型建模流程图次代数方程,由此可以确定N个广义特征值A(i=1n)。若[K]是对称正定阵,A就是正实数,因此弹性体的2.2柔性部件模态分析N个固有频率可以由式(6)得到在进行柔性多体系统动力学分析时,首先要计算构件在ω=√A1(i=1,…,N)不计阻尼情况下的固有频率和振型。主振动模态或者振型其中:N是节点位移参数的总自由度是指结构在某频率下的变形,其中每阶振型都与其特定的固有频率相关,它们可以反映构件自身的动力学特征,同时也2.2.2模态分析模型建立决定了构件怎样去响应其外部动力载荷。固有模态可以组合构件的各动力学响应,模态分析的结果同时也是多种动态将建好的三维实体模型直接导入 Hypermesh软件进响应的判据,所以首先对构件进行模态分析行有限元模型网格划定和模态文件生成。考虑到计算的精度,选用精度较高的8节点等参6面体单元。在H221模态分析理论基础3senmesh软件中需要定义这3个柔性体的材料,相关的材料参数见表1,其中E为材料的弹性模量,μ为材料的泊松1)多自由度动力学方程比,p为材料密度动力学有限元法的控制平衡方程为表1柔性体的材料参数[M]{x(t)}+[C]{x(t)}+[K]{x(t)}={F(t)}(1)材料E/MPap/(T/mm')其中:M一表示质量矩阵;C一表示阻尼矩阵;K一表示刚度驻栓炮钢2.1e5矩阵;F(t)一表示所受外部负荷向量;x(1)、x(t)、x(1)分推杆炮钢7.9e-9别表示位移向量、速度向量和加速度向量连杆炮钢中国煤化工由于模态是系统结构的固有特性,只与自身条件相CNMHG关,与外部激励条件无关。因此系统的固有频率和振型可划分好的拨动子驻闩、发射器推杆和电磁连杆各自拥以通过求解式(2)(系统的自由振动方程)来得到。有的单元个数和节点个数如表2所示Macrine Building E Automation, Juan 2015, 44(3): 92-94, 130信息技术陈伟,等·某击发机构动力学仿真研究表2柔性体有限元参数部件单元个数节点个数拨动子驻栓4199发射器推杆13393杆柔体电磁连杆l882018808拨动子驻栓柔体采用 Block lanczos法来进行模态提取工作,该方法能提取较多的模态,并且对内存要求较低,适应于大型模型,因此广泛的应用于许多大型有限元软件。电磁连杆柔体2.2.3模态分析结果电磁连杆第7阶以后的主模态信息见表3,部分模态图4击发机构刚柔耦合模型图变形图如图3所示。表3电磁连杆主模态信息阶数频率/振型描述928.151y方向弯曲221.7z方向弯曲2643.9y方向弯曲z方向弯曲5612.2y方向弯曲56176147.9z方向弯曲8829y方向弯曲图5拨动子驻栓位移曲线图架运动;在0.0184s时,发射器推杆速度为零,在压杆弹簧和重力的作用下,沿发射器支架往回运动;在0.04s时发射器推杆还没有回复到初始位置。图3第9阶主模态2.3建立刚柔耦合模型将在 Hypermesh软件中生成的柔性体模态中性文件导人到 ADAMS软件中去6。首先将击发机构刚性模型导人到 ADAMs软件中,然后采用柔性体替换刚体( RigidTo Flex)的方法分别将拨动子驻栓、发射器推杆和电磁连杆使用相应的柔性体进行替换。建立好的刚柔耦合模型0.00示意图如图4所示图6推杆位移曲线图仿真结果及分析图7为电磁连杆角速度时间曲线,在0.009s时,电磁连杆角速度达到最大,然后突然下降,这说明在这个时候,底座图5所示为拨动子驻栓位移曲线图。由图5可知,在部件在撞击击发挡板,击发挡板开始运动在002时,角速0024时,发射器压杆撞击拨动子驻栓拨动子驻栓在碰撞度又减小说明击发挡板撞击推杆,自身速度减小,阻碍了电力的作用下沿炮闩向右移动;在0019s时拨动子驻栓停止磁连杆的运动:在中国煤化工,在重力作移动,最终拨动子驻栓没有释放拨动子,即本次击发不成功用下往回运动。图6所示为推杆位移曲线图,由图6可知,在0.102s作用下,电磁连杆CNMHG碰撞力的时,击发挡板撞击发射器推杆,使发射器推杆沿发射器支(下转第130htp:∥ZZHD.chinajournal,netcnE-mail:ZzHD@chainajournal.netcn《机槭制造与自动化》信息技术张植琼,等·形变方式对H62黄铜模压形变等效应变分布的影响通过以上分析可知,不管是在相同压弯压平次数下还[2] Valiey r z. Structure and mechanical properties of ultra-fine是相同周期下,与平行模压相比,采用交叉模压形变,能获grained metals [ J]. Mater Sci Eng A, 1997, 234: 59-66得更高的等效应变累积值和更好的均匀性,这与张莹等人3]LeeJ.W,Patk.. Numerical and experimental investigations of的试验结果(随着周期的增加,交叉模压形变方式所获得constrained groove pressing and rollingment[]的试样比平行模压形变方式所获得的的试样有更好的均Journal of Materials Process2002,130-131匀性和更高的硬度值)是相对应的[4 Krishnaiah A, Chakkingal U, Venugopal P. Applicability of the3结语groove pressing technique for grain refinement in commerciality copper[J]. Materials Science and Engineering, 2005, 410-1)交叉模压1周期相当于平行模压2周期,即使在411:337-340相同压弯压平条件下,交叉模压1周期试样累积的等效应[51 Krishnaiah a, Chakkingal U, Venugopal P. Production of ultrafine变值仍略高于平行模压2周期试样,且等效应变分布均匀grain sizes in aluminum sheets by severe plastic deformation using性也比平行模压方式下的试样要好the technique of groove pressing [J]. Scripta Materialia, 20052)在相同周期条件下,交叉模压形变试样所获得的52(12):12等效应变肯定会高于平行模压形变的试样,但是随着周期[6]苏丽风,彭开萍肖林钢反复模压形变法细化H62黄铜的研的增加,差距会缩小,除此之外,交叉模压形变试样等效应究[J].机械工程材料,2007,31(7):15-18变分布均匀性比平行模压形变试样要好的多[7]曾佳伟,牟雪萍,彭开萍.材料厚度对H62黄铜模压形变等效3)模压形变有限元模拟结果中等效应变的分布规律应变分布的影响[J].机械工程材料,2011,35(2):92-96.与实际试验中显微硬度的分布规律是一致的。[8]张萤,彭开萍.模齿宽度对模压变形纯铜晶粒尺寸与力学性能的影响[J.机械工程材料,2009,33(10):13-16.[9]曾佳伟,彭开萍.H62黄铜模压形变有限元模拟[J].金属热参考文献处理,2010,35(5):83-86[10]张萤,彭开萍,林雪慧.形变方式对模压形变H62黄铜组织[ 1] Shin D H, Park J J, Kim Y S, et al. Constrained groove pressi的影响[冂].材料热处理学报,2009,30(4):114-119Materials and Science Engineering A, 2002, 328: 98-103收稿日期:2014-12-02AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA(上接第9页)20003000z100020005001000图8拨动子驻栓和发射器压杆碰撞力图7电磁连杆角速度参考文献图8为拨动子驻栓与发射器压杆碰撞力随时间变化曲线,由图可以看出,在00124s时,发射器压杆撞击拨1]张相炎管红根火炮概论[M北京:北京理工大学出版社,2动子驻栓,由于拨动子驻栓柔性的原因;在0.0125s时学报,2005,17(1):77-81碰撞力达到最大,为1342N;在0098时,发射器压杆与[3]李德葆,振动模态分析及其应用[M.北京:宇航出版拨动子驻栓相分离,在压杆弹簧的作用下往回运动。社,19894结论[4]刘延柱,陈文良.振动力学[M].北京:高等教育出版以某击发机构为研究对象,建立了击发机构刚柔耦合[5]朱茂桃,何志刚,徐凌,等车身模态分析与振型相关性研究动力学模型,考虑了击发机构里面含有的接触/碰撞等因[J].农业机械什H中国煤化工[6]李增刚.ADAM防工业出版素,经仿真计算得到了击发机构击发时各部件的接触/碰CNMHG撞关系,为研究击发机构工作过程中的力学性能提供了参考。枚稿日期:2015ZZHDournal. net. cn E-mlil:ZzHD@ chainajournal. netcn《机械制造与自动化》