一种全地形突击武器系统模态测试

杨 臻，高 颖，秦 浪

(1.中北大学 机电工程学院，太原 030051; 2.建设工业有限公司，重庆 400054)

轻型全地形车武器系统是单兵使用的车载武器系统，具有较强的火力、机动能力、通信和战场监控能力，其军用潜力已经被越来越多的军队所认识。未来战争中，它将成为特种部队必不可少的武器装备，是步兵配备的基本装备之一，同时也是武警反恐、防暴的快速机动的野战武器。由于有良好的越野性能，全地形车武器系统在战术上主要用于轻型机械化部队的快速突击和火力支援。由于车辆轻，提高武器的射击稳定性和射击精度成了该系统重点研究的内容。模态分析作为研究武器系统动态性能的前提和基础，不仅可以判断系统固有频率是否与枪身的激励频率相接近，以避免发生共振;还可以找出系统结构的薄弱环节，从而有针对性的加强。近年来，国内围绕大口径机枪［1-3］、履带和轮式火炮系统［4-5］进行了模态试验研究，在此就某轻型全地形突击武器系统的模态测试展开研究。

1 系统基本机构

轻型全地形车武器系统由于采用轮式4 ×4 驱动JS -400ATV 沙滩车，武器系统主要摇架、三光瞄具和小口径转管机枪组成，系统重量在350 kg，结构如图1 所示。

众所周知，机械结构一旦确立，该机械自身固有的频谱特性就固定。这种频谱特性与结构形式、结构类型紧密相关。在武器系统中了解这种特性，就可以通过改变其结构形式或适当加强( 或减少) 局部结构刚度，改变其频谱特性，避开共振区。这对提高连发武器的精度有重要作用。

2 试验方法

通过对全系统非工作状态下传统试验模态分析法来识别模态参数。试验模态分析系统是由激励系统、响应和激励力测量系统及分析计算系统组成。通过传统试验模态分析可以得到系统各部件及全系统特别是武器部分的动力学固有特性。借助于力锤，在试验转管机枪口部，施加一定频带宽度的动态输入力{f( t) } ，它的输出响应{x( t) } 也是一个包含了系统模态信息的信号。对动态输入力和输出响应经过快速傅里叶变换( FFT) 后得到相应的傅里叶谱F( ω) 和X( ω) ，则频响函数矩阵为

这样，通过对施加到结构上的激励信号和结构上各观测点的响应信号的分析处理，就可以得到表征结构系统特性的传递函数矩阵，再经过计算识别就可以得到结构的固有特性( 固有频率、阻尼比、模态振型等) ，即武器系统的模态参数。

图1 全地车示意图

3 试验结果

通过对系统激励，高速采集仪记录下振动曲线，经过分析计算得到5 阶的固有频率。本次试验重点关注的是枪与其架座的状态，主要演示取枪及其架座部分的示意结构。

表1 系统前5 阶固有频率 Hz

通过对测试数据进行频谱分析，得到以下的5 阶振型图，如图2 ～6 所示。

图3 第2 阶振型

图4 第3 阶振型

图5 第4 阶振型

图6 第5 阶振型

振型描述:

第1 阶共振频率为37.22 HZ，此时振型主要表现为弯振，同时带有部分的扭振，由振型图可以看出瞄准器部分振动幅值最大。

第2 阶共振频率为108.78 HZ，此时振型主要表现为扭振，同时带有部分的弯振，由振型图可以看出瞄准器部分振动幅值最大。

第3 阶共振频率为218.99 HZ，此时振型主要表现为弯振，同时带有部分的扭振，由振型图可以看出瞄准器部分振动幅值最大。

第4 阶共振频率为320.288 7 HZ，此时振型主要表现为弯振，同时带有部分的扭振，由振型图可以看出瞄准器部分振动幅值最大。

第5 阶共振频率为425.207 2 HZ，此时振型主要表现为弯振，同时带有部分的扭振，由振型图可以看出瞄准器部分振动幅值最大。

4 结论

建立的基于LMS 方法的机枪动力特性测试系统为研究该武器的动力学特性提供了依据。模态的两个重要参数为固有频率与振型，本试验得到的振型显示了机枪的固有振动形态，以及各点相对振动量之间的关系，并提供了一种直观的分析其振动状态的方法。通过对试验结果的初步分析可以得出如下基本结论:

1) 当武器系统的固有频率与激励频率接近就会有共振发生，此时激励作用下的振幅与振速幅值均随时间增大而增大。当此情况出现在发射装置处于发射状态下时，对于减小起始扰动是非常不利的，应尽量避免。因此，对于发射过程中的一些周期干扰力矩，其频率应避免接近或等于自振频率，发射间隔的选取也应该避开发射装置的固有频率。而为了减小发射装置振动对射击稳定性和精度的影响，对于机枪的后坐力等突加力，应尽量使其作用时间避开自振周期的整数倍。

该型机枪的第1 阶固有频率小于射击频率，避开了射击频率(100 Hz) 的整数倍，不会引起共振，更高阶固有频率对其影响则更小。但是第3 阶频率与武器频率接近，易引起共振。

2) 三光瞄具引起振幅大，连接部分结构强度需进一步加强，改进其刚度。

3) 由于激励力偏小，车体悬挂系统的低阶频率未出现，对其测量宜采用其他手段( 如工作模态分析法) 实现。

［1］吴三灵，温波，于永强，等.火炮动力学试验［M］.北京:国防工业出版社，2004.

［2］王瑞林.大口径机枪动力学特性与射击精度研究［D］.南京:南京理工大学，2003.

［3］董自卫.基于LMS 系统的某型机枪动力特性测试方法［J］.军械工程学院学报，2007，19(5):23-25.

［4］王宝元.自行火炮固有频率特性实验研究［J］.兵工学报，2011，32(11):1315-1319.

［5］王宝元.自行火炮工作模态分析试验技术［J］.兵工学报，2009，30(7):853-856.

［6］PARK YH，PARK YS.Structure optinization to enhance its natural frequencies based on measured frequency response functions［J］. Journal of Sound and Vibration，2000，229(5):1235-1255.