弹链的间隙动力学特性研究

第26卷第5期舰船科学技术Vol 26 No 52004年10月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYOct.2004文章编号1672-76492004)5-0040-03弹链的间隙动力学特性研究丁浩王德石王树海军工程大学兵器工程系湖北武汉430033)摘要:研究了含有间隙的弹链动力学问题建立了含有分段线性刚度的多刚体动力学模型。对2节链节的振动及其运动进行分析。结果表明两自由度链节运动中自由振动模态固有频率低于188Hz时对系统的刚性模态运动影响较大。所以在弹链的设计中应保证有足够的刚度在不计阻尼时间隙不产生极限环在计入粘性阻尼时弹链运动呈阻尼衰减运动但由于弹链不断受初始条件即拨弹板的扰动过渡过程仍对弹链的刚性运动起重要作用。关键词:弹链多刚体动力学汾段线性中图分类号:O326文献标识码:AResearch on dynamics of cartridge link with clearanceDING Hao WANG De - shi, WANG Shu- zongDepartment of Weaponry Engineering Naval Engineering University ,Wuhan A30033 hinaAbstract: Dynamics problems of cartridge link with clearance are investigated the dynamics models ofmulti- rigid body with sectional linear rigidity are built. We analyse the two knots cartridge link s vibration andmotion. It shows that in the motion of cartridge link with two degree of freedom when the natural frequency of freevibration is below 188Hz ,the rigid motion of cartridge link is influenced. So in the cartridge links design , therigidity must be enough. Without considering the damping ahere is no limit circle in the clearance. When considerthe damping the motion of cartridge link is declinded by the damping. Because cartridge link is blasted by startcondition the middle process has significant function to rigid motion of cartridge linkKey words: cartridge link a dynamics of multi-rigid body ' sectional linear0引言弹链阻力计算弹链运动产生阻力作用于供弹机构的拨弹滑板研究弹链阻力的目的是校核弹链的强度。阻力上并传给自动机的基础构件影响基础构件的运动的大小与计算方法和所取模型及弹链运动有关。若和自动机的循环时间。因此在设计火炮自动机时必按等截面弹链模型分析弹链的运动其模型为一个作须计算弹链阳力,以避免弹链的抖动这就需要知道纵向振动的粱3文献1迕研究该模型时也指岀弹弹链阻力及运动的变化规律和岀现在弹链断面的最链阻力的最大值岀现在第一发炮弹射击时弹链阻力大力。研究弹链及阻力的模型可分为4种订即等截的计算公式为面弹性带模型、变截面弹性带模型、由弹性铰连接的P多刚体模型和由复杂铰连接的多刚体模型。其中第式中4种模型最接近弹链实际其分析所表现的运动特性度m中国煤化工度;为一个链节的刚也最复杂仍需进一步的研究。这里我们建立了含CNMHu1)甲可有出,P只与Wphm有关。当水平有分段线性刚度的多刚体动力学模型以两自由度间放置并忽略摩擦时,P力与弹链长度无关各断面隙线性系统为例研究了弹链的间隙动力学特性。受最大力相等只是出现的时间不同。如果弹链是倾收稿日期2003-11-24基金项目国家自然科学基金资助 Grant no.50275146第5期丁浩等:弹链的间隙动力学特性研究41斜放置的则有的运动本质我们取其中2节进行分析也可以这样P=√kmVp+msin0+fc)(2)认为即将整个弹链系统离散为两部分。所以只取2式中:n为悬挂部分炮弹数沪为弹链放置倾角为个隔离的炮弹为研究对象如图2所示。摩擦系数。上述是按等截面模型计算的弹链阻力。当弹链中存在间隙并按一定规律抖动时弹链中存在应力波所以有必要研究弹链的振动模态。同时考虑到弹链振动模态对自动机循环时间与P的影响应进一步研图2两个炮弹的运动简化模型图究弹链的运动特性以寻找避免弹链抖动的设计规律。作以下假设炮弹质量m0=m1=m弹簧刚度k;=k滑动摩擦系数∫=0阻尼系数c=O。取链节2弹链的间隙线性振动模型间隙为δ1时炮弹质心的位置为坐标原点在振动的将弹链离散化并用多刚体振动模型去逼近与任一瞬时1,m05m的位置分别为9和qom和m实际弹链很接近并可以用来研究连发时弹链的动力的初始状态分别为qo=co1=C142=(23=c3学特性。与文献1}样作以下假设炮弹为刚体内°列出以下动力学方程力的作用线与炮弹和链节质心的连线重合弹链水平∫myo0=-K(放置在输弹导引内弹链只能沿水平方向运动弹链q0=q1的弹性用一无质量的弹簧来代替链节间具有一定的当摩擦系数∫≠0时系统可能呈现更为复杂的间隙洧结构阻尼及撞击产生的能量损失。取第;个行为如文献4P的滑块在皮带上呈现的自激振动炮弹进行研究得到如下动力学方程阻尼仅起到衰减作用由于过渡过程对供弹系统的运;=- fimigsgnt(q;)+kq-1-91)+cq-1-9)动仍然起作用所以有无阻尼对运动分析影响不大。k1+q;-q;+1)-c;+q;-q+1(3)3弹链运动分析与计算(i=12…n,Cn+1=0hn+=03.1振动模态式中:m;,;分别表示一个带链节的炮弹质量和无质量弹簧的刚度;c;分别表示滑动摩擦系数和等效阻令sino.(6)尼系数;表示m;的水平位移。弹链模型如图1所示。由式(5)可解得2=01令则式5)化为00图1按多刚体模型分析弹链运动简图700(7)将弹性力用分段函数来表示70=7o+7o设71= nicosan, t 2 sinon L,(4)中国煤化11/=0-1及CNMHG式中:81分别为链节之间的间隙和链节的刚度。它们都可由试验测得70=2o+c1)+(c2+c3)因含有多个间隙此问题也是现代机械动力学研(9)no. t究的一个方向23。为便于用分析的方法揭示弹链42舰船科学技术第26卷由q=Qn得此处取k=4.4×10N/m为例此时2个炮弹各Co t cI自的时间一位移图,它们之间的时间一位移差图以及它们之间位移差一速度差的相平面图如图3所示。t+2sino I(10)4结语91Co+C1)+(c2+C3 )文中研究弹链的振动对于确定弹链阻力及设计(co -ci sant自动机的强度和循环时间有重要意义。建立了含有3.2处于间隙状态的刚性模态间隙的线性振动模型在研究弹链各种计算模型2-的可以看出系统中含有一个刚性模态,个振动模基础上对2节简化弹链振动模型的运动相图进行了态其中刚性模态为2个炮弹连接处于间隙状态时的定性分析揭示了弹链运动的基本特征与规律结果情形动力学方程为表明(1)含有间隙的弹链系统在初始拨弹速度的扰∫qo=co+c2动作用下不存在极限环运动但是有周期运动存在(11)1=C1+C3t2)周期振动模态与系统的刚性模态叠加形成弹链3.3例子的波动运动模式从而影响了自动机的循环时间,以以MK45型单管127mm舰炮为例来研究弹链的MK45型单管127mm舰炮为例计算表明固有频率低运动。由文献5J可得到以下数据:炮弹质量m=于188Hz的情况下,会产生严重的振动。所以,设计2.5kg弹链节距B=0.08m,mo的初始速度qo足够大的刚度的弹链十分必要。(3)周期振动模态15m/♂。并假设弹链的间隙δ1=0.005m。用计算机还会在弹链中产生相应的应力波动比均匀梁模型所编程可以得到弹簧刚度k取不同的值时经过时间得波动大对弹链的强度指标提出更高的要求。(4)t2个炮弹是否会发生碰撞。具体分析如表1所示文中未考虑阻尼的影响出于消耗能量最小的观点暂取t=10s阻尼不可能足够大在自动机的工作期阻尼起作用表1在不同刚度下分析2炮弹是否会发生碰撞的过渡过程不可能快速削减。因此弹链运动仍然是k值/×10Nm-1.02.53.54.04.254344.550含有足够周期运动的模式。因而不考虑阻尼的自由值241715151563100100100振动仍然能够保留弹链运动的特性。(5)在存在摩擦阻尼的情况下以及在多自由度即含多个间隙的模其中,i<100时表示在t=10s内2个炮弹会发生碰撞;>100时表示在t=100s内2个炮弹不型中动力学行为更为复杂,自激及混沌运动有可能呈现有待进一步研究。会发生碰撞。参考文献由此可知在k≥44×10N/m时在t=10s内[1]韩魁英王梦林朱素君.火炮自动机设计M]北京国防工业出版社19882个炮弹不会发生碰撞即固有频率ω[2 EARLES S W E SENEVIRATNE L D Some Kinematic Effects188酝z时可使2个炮弹在t=10s內不发生碰撞。of Clearance in Revolve Joints of Linkage Mechanisms. Proceeding 7th world congress IFTOMM. Spain 1987 523[3]余跃庆李哲.现代机械动力茕M]北京北京工业大学出版社1998[4]丁文镜.工程中的自激振矶M]吉林吉林教育出版社[5]世界舰炮图片资料手册.海军装备论证研究中心武器系m的时间一位移m的时闻一位移统论证研究所』993④DH武器设计新编M]北京[8]骆文润转管炮动力学、振动与控制特性研究D]海军工程大学硕士论文2002作者简介:丁激1979-)男硕士研究生研究方向为武器图3计算机仿真2个炮弹运动所得图形系统与运用工程