基于RecurDyn的同步带弹箱动态特性仿真研究

郑建兴,张相炎

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094)

基于RecurDyn的同步带弹箱动态特性仿真研究

郑建兴,张相炎

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094)

火炮在高速射击时,为了保证射击的稳定性和连续性,可靠的弹箱系统是关键部分。在吸取同步带传动技术特点的基础上,提出了一套基于同步带传动技术的弹箱系统。为了解同步带弹箱的运动特性,进一步优化结构参数,利用多刚体动力学软件RecurDyn和Pro/E软件建立同步带弹箱系统的仿真模型并进行仿真计算。通过分析弹箱的整体工作特性和炮弹在整个供输弹过程中的受力情况,证明了设计的可行性和合理性,为新型无链供弹系统的设计研究打下了坚实的基础。

机械学;无链供弹系统;弹箱;RecurDyn仿真;同步带传动

无链供弹系统的弹箱结构和性能是供弹系统能否实现快速和准确供弹的关键,也是无链供弹系统研究的一个重点。同步带传动是一种啮合传动,兼有齿轮传动、链传动和带传动的优点,具有传动准确、传动效率高、传动比大、传动速度高、平稳、噪声小、结构紧凑、维护方便和运转费用低等突出的优点[1]。因此,采用同步带传送系统能够有效实现弹箱快速和准确供弹。

RecurDyn(Recursive Dynamic)是新一代多体系统动力学仿真软件,非常适合于求解大规模及复杂接触的多体动力学问题[2]。同步带的仿真时,可以借助有限元的思想,用尺寸较小的刚带块将带离散化,带块之间通过施加约束来连接[3]。在Recur-Dyn集成了Belt模块,能够快速和准确地建立同步带模型。

笔者将结合同步带传动技术和RecurDyn仿真软件,研究并设计适合于高速供输弹的无链供弹系统的弹箱结构。

1 弹箱建模

1.1 弹箱模型

弹箱的主要功能是实现炮弹的存储和在射击时快速准确的供弹[4]。在仔细研究和分析现有的弹箱结构的基础上,提出了基于同步带传动的分层存储的组合式弹箱结构,结构主要包括同步带传送带和刚性导引及拨弹转轮。通过RecurDyn和Pro/E建立弹箱的系统模型,如图1所示。

系统中同步带的建模主要是通过RecurDyn的Belt-pulley皮带工具包实现,其能够自动定义皮带与滑轮之间的接触作用力,可以精确地给出系统在运动过程中的动态特性,从而改进和完善系统的设计[5]。同步带通过在标准XH同步带上添加弹槽实现,具体结构及参数设置主要根据同步带的尺寸标准和弹箱的供输弹速率要求等要素来确定,其值如图2和表1所示。

表1 同步带建模参数[6]Tab.1 The modeling parameter of timing belt

对各个零件定义相关的约束和接触,其中固定副10个,旋转副6个,在炮弹和同步带上的弹槽之间定义实体接触副20个,弹和刚性导引及拨弹转轮之间定义面面接触副35个。根据工程实践经验,碰撞接触的参数选取如表2所示。

表2 弹箱动力学模型参数设置Tab.2 Virtual prototype modeling parameter of ammunition box

1.2 基于RecurDyn软件的接触力理论[7]

在RecurDyn中,物体之间的接触力的计算公式为:

式中:k为弹性系数,用于指定接触的刚度;c为接触阻尼;m1,m2,m3分别为刚度、阻尼、以及压痕因数,是描述接触的非线性量的参数;δ,˙δ为接触穿透量以及穿透量的导数。

这些参数的取值取决于材料的类型和尺寸等。

2 仿真结果分析

为了提高计算速度,缩短计算时间,仿真计算时只计算3枚弹从第2层同步带传送到第1层同步带出弹口处的过程中炮弹受力和运动情况,如图1所示。为了保证供弹的连续性,匹配拨弹转轮和带轮的转速为:拨弹转轮的转速为1 320°/s,同步带带轮的转速为840°/s,此时,系统的供弹速率达到了1 540发/分。确定仿真时间为1.5 s,仿真步数为150,每步计算的节点数为1。

图3所示是同步带2上的一个带块的y向位移曲线,从图中可以看出,同步带在传动过程中存在横向振动特性。影响同步带传动横向振动的因素很多,主要由同步带截面的大小、材质、质量、速度、张紧力及同步带轮的制造误差等[8]。

图4为同步带主从带轮的转速图。由于同步带传动的多边形效应以及带齿和带轮齿之间存在啮合间隙的影响,从图4可以看出,主动轮的转速保持恒定,而从动轮的转速出现了一些震荡,并能够逐渐趋于同步。

同步带传动的这些特性对弹箱的总体传动性能会产生一定的影响,在实际运用时可以通过选择合理的参数或者选用圆弧齿同步带等措施来尽量减小同步带的横向振动和从动带轮的转速振荡,从而达到更加平稳的炮弹输送效果。

图5是炮弹在仿真计算过程中的位移曲线(参考坐标位于模型中心),可以看出,炮弹整体上处于匀速运动状态,但是也存在一定的扰动,这是由于同步带的振动和炮弹在同步带之间的转接碰撞振动造成的。

在弹箱的工作过程中,炮弹受到了多方面的作用力,炮弹1和各个部件之间的接触力为例:炮弹的加速度曲线和转轮和炮弹1的接触力曲线分别如图6和图7所示。刚性导引以及同步带和炮弹1的接触力曲线分别如图8和图9所示。

从图6可见,在0.13 s和0.77 s处,炮弹 1的加速度产生峰值和振荡,这主要是炮弹在0.13 s处和0.77 s处开始进入导引的圆弧段,速度突变较大,因而产生加速度峰值。在图7和图8中也可以看出,在0.13 s时是产生了很大的接触力,这正好与图6相吻合。而图7和图8中的接触力的振荡主要是由拨弹转轮及导引对炮弹的双重作用和导引在仿真计算时采取小平面代替圆弧面而带来的穿透深度的变化造成的。

图9的同步带3及同步带1和炮弹之间的接触力变化也体现了上述特性。在0.15 s后带3和弹1分离,接触力突变为0,在0.22 s处带1和弹接触,出现接触力。对于同步带4和同步带2与弹1的接触力曲线分别与带3和带1的曲线相似。

通过对仿真结果的分析可以发现,仿真结果符合实际变化趋势和规律,表明弹箱系统的动力学建模的正确性,仿真结果具有一定的参考价值。

3 结束语

本文利用 RecurDyn的 Belt-pulley模块和Pro/E设计和建立了基于同步带传送技术的无链供弹系统的弹箱模型,通过多刚体动力学软件RecurDyn对弹箱进行了动力学仿真计算分析,研究了弹箱的工作特性和炮弹在运动过程中的受力情况,验证了系统设计的正确性和合理性,为无链供弹系统和同步带传动系统的进一步的分析研究奠定了基础。

References)

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YUAN Ai-xia.Optimal design of synchronous beltdrive[J].Journal of Guangxi Institute of Technology,1998,9(4):74-78.(in Chinese)

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FAN Qiu-xia.The Static analysis and dynamic simulation of transport-car with coal cutter(single driving)[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2007.(in Chinese)

[3]尚欣,丁静,薛河.带传动虚拟样机的初步研究[J].煤矿机械,2005(6):35-36.

SHANG Xin,DING Jing,XUE He.Pilot study of belt drive of virtual prototyping technology[J].Journal of Colliery Mechanism,2005(6):35-36.(in Chinese)

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HUANG Xiao-ping.Research of fully combustible cartridge case feed system virtual prototype[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2008.(in Chinese)

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[6]机械设计手册编委会.机械设计手册-带传动和链传动[M].北京:机械工业出版社,2007.

Editorial Committee of Mechanical Design Hand Book.Belt-drive and chain-drive of mechanical design manual[M].Beijing:China M achine Press,2007.(in Chinese)[7]FunctionBay.RecurDynTM/Basic Tutorials[M].Korea:FunctionBay.Inc,2006.

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ZHANG Da-wei.Synchronous belt static capability and dynamic capability analysis and research[D].Changchun:Changchun University of Science and Technology,2008.(in Chinese)

Dynamic Characteristic Research of Timing Belt Ammunition Box Based on RecurDyn

ZHENG Jian-xing,ZHANG Xiang-yan

(Mechanical Engineering College,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

In order to ensure the stabilization and continuity of gun fire at high rate of fire,the reliable ammunition box system is the key part of linkless feed system.Based on the technology of timing belt drive system,a new kind of ammunition box was designed to meet the needs of feed system.To understand the working characteristic of the ammunition box and further optimize the structure parameters,the ammunition box virtual prototype model was established and simulated with the aid of RecurDyn software of multiple-rigid-body system and Pro/E software.After studying the working characteristic of the ammunition box and also the contact force of the gun round during the whole operation process of feed and ramming systems,the verification of the design feasibility and rationality were performed.The study results showed that the design can provide solid base for the further research on new type of the linkless feed system.

mechanics;linkless feed system;ammunition box;RecurDyn simulation;timing belt system

TH113.2

A

1673-6524(2010)04-0075-04

2010-01-27;

2010-04-21

郑建兴(1984―),男,硕士,主要从事火炮自动机虚拟样机技术研究。E-mail:zhjx00001@163.com