基于Workbench的某型试验枪架系统模态分析

张健，赫雷，周克栋

(南京理工大学，江苏 南京 210094)

基于Workbench的某型试验枪架系统模态分析

张健，赫雷，周克栋

(南京理工大学，江苏 南京 210094)

试验枪架系统用于代替射手进行自动射击，为了减小共振对结构产生的破坏及其对射击精度的影响，在结构设计完成后必须对系统的振动特性进行分析，文中通过将在Solidworks中建立的几何模型简化后导入Ansys Workbench中进行模态分析，从而得到其固有频率及振型，分析了变形产生的原因并找出了薄弱环节，为以后的模态试验及优化设计提供依据。

试验枪架；模态分析；ANSYS Workbench

0 引言

在传统的机枪定型试验中，往往由射手在恶劣环境(如高温、低温、淋雨等)下进行射击，通过射击精度等指标来评估机枪的性能，但是环境的恶劣性及试验机枪存在的不安全隐患对射手的安全构成了威胁，进而影响到了射击的稳定性及射击精度。

试验枪架系统可代替射手进行自动射击，由于其良好的安全性和稳定性，试验枪架系统正越来越受到重视。在试验枪架设计过程中，为了解其动态特性，有效地规避枪架系统在射击状态下的共振频率，有必要对系统进行模态分析，得到其共振频率、阻尼比、振型等信息，为以后的结构改进打下基础。

1 几何模型的建立

该试验枪架系统的结构设计主要在三维建模软件Solidworks中完成，该枪架主要由三脚架、摇架、托架组成，可用于多种型号的机枪试验，本文将某12.7mm重机枪及其对应的前后夹具与枪架组成整体，分析其固有特性。

由于原模型非常复杂且存在大量的细节特征，保留这些细节特征会加大网格划分的难度，甚至导致网格划分失败，对求解计算和分析结果造成负面影响，故在CAE分析前需要对模型进行简化[1]。对该模型的简化主要包括两部分：1) 对枪架的简化，主要为去掉一些小圆角、倒角、小凸台等细小特征；2) 建立机枪的简化模型，省略了提把、握把、保险机构等非承载件。

简化完成后利用Solidworks与ANSYS Workbench的无缝集成，将模型准确无误地导入ANSYS Workbench中，导入后的模型如图1所示。

图1 试验枪架系统三维模型

2 有限元模型的建立

为了模拟真实情况下武器的动态特性，采用三脚架驻锄边界位移全约束的约束条件。

为方便计算，根据设计需求，首先将装配体中的各零部件材料设定为碳钢，材料弹性模量2.07 ×1011Pa，泊松比0.3，密度7980kg/m3，其次对导入的模型进行网格划分[2]，由于AWE提供了强大的接触识别及自适应网格划分功能，可以分别对各个零部件进行网格划分。

网格划分前首先检查实体，对可扫掠的实体采用扫掠方法划分六面体网格，对不能扫掠划分的实体采用协调分片算法划分四面体网格，对于关键部位如三脚架驻锄与枪管则单独定义网格尺寸并细化网格，得到了更加细密的网格，大大提高了网格品质。网格划分结果如图2 所示。

图2 试验枪架系统有限元模型

3 模态分析

3.1 模态分析概念

模态分析是对一个由若干部分组成的以某种方式与若干无质量、刚性连接的系统进行分析，进而确定动力学特征的过程。

每种结构都有它固有的振动频率，称之为共振频率。当结构的某一共振频率被激活时，将表现出一种振动形态，称为振动模态。而模态分析的目标就是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据[3]。

枪架系统的振动特性是影响机枪射击精度的主要因素之一，随着枪架系统质量越来越轻，枪架系统的弹性变形特性和振动特性更为突出，动力学特性对武器性能的影响也越来越不可忽视，对机枪系统进行模态分析成为了机枪结构动力分析的基本任务[4-6]。

3.2 模态分析基本理论

N个自由度的振动系统的运动微分方程可以写为：

(1)

不同分析类型对应求解不同形式的方程，对于模态分析，设定f为零，而矩阵C通常被忽略。则此时系统的运动微分方程为：

(2)

设式(2)的解为：

(3)

将式(3)带入式(2)得：

(4)

(5)

式(5)称为系统的特征方程，展开后为：

ω2n+a1ω2(n-1)+…+anω2+an=0

(6)

3.3 模态计算及结果分析

由于在模态分析中只有零位移约束是有效的，所以不对其施加其他约束与载荷，为模拟枪架系统在实际工作过程中的状态，采用对三脚架驻锄边界位移完全约束的方式。计算前设置模态提取为20阶，将前六阶模态频率列在表1，其对应的振型如图3至图8所示。

表1 试验枪架系统各阶频率及总位移

图3 一阶振型

图4 二阶振型

图5 三阶振型

图6 四阶振型

图7 五阶振型

图8 六阶振型

从振型图中可看出，系统的一阶振型主要表现为系统整体的上下转动，而第一阶固有频率为13.01Hz，该机枪的射击频率为9.28Hz，避开了射频的整数倍，因此在射击过程中，机枪不会发生共振。二阶振型主要为机枪及后夹具左右方向的摆动，三阶振型主要表现为枪架整体与机枪的同方向摆动，四阶振型主要表现为枪架整体与枪管的反方向摆动，五阶振型为该系统在纵向射面内的主振型，主要表现为枪口的上下摆动，第六阶振型为高阶模态振型，主要表现为整个试验枪架系统的扭转变形。

从第一阶与第二阶振型中看出该机枪后夹具的刚度较小，是振动振幅较大的部分，由于后夹具承受机枪射击时的大部分后座力，因此后夹具的结构对系统整体的固有频率及机枪的射击精度影响都比较大，可以通过修改后夹具的结构参数，如加厚与机枪枪托接触的钢板、采用缓冲弹簧等措施改变系统的结构振动特性、提高武器的射击精度。

4 结语

1) 从试验枪架整体来看，其托架部分结构紧凑，在振型图中基本没有表现出明显的变形，而摇架的变形则相对比较明显，在以后的优化设计中要加以关注。架腿在高阶固有频率上表现出振型，而高阶固有频率对系统的振动特性影响较小，因此可认为架腿的刚度是满足要求的。

2) 不论是纵向射面的模态还是横向射面内的模态，其变形主要发生在枪管部位，体现出悬臂梁的特征。

3) 后夹具在低阶模态振型中表现出明显的变形，在下一步工作中将重点对后夹具进行结构改进，使其刚度分布更加合理。

4) 通过建立试验枪架系统的有限元模型并对其进行模态分析，使得设计人员能更加直观的了解该系统的振动特性，为以后的模态试验中测点及激励点的选择提供参考。在以后的工作中，还要结合一定的试验工作来验证有限元模型的合理性，以建立更加完善的有限元模型。

[1] 赵猛，张以都，马良文，等.装配结构模态仿真与实验对比研究[J].振动与冲击，2005，24(1)：28-30.

[2] 阮玉塘.基于ANSYS的某机枪有限元结构分析[D].南京：南京理工大学，2007：17-37.

[3] 于德介，程军圣，杨宇.机械振动学[M].湖南：湖南大学出版社，2010：67-89.

[4] 陈锦喜，王瑞林，李永建，等.机枪枪架结构改进及其动力学特性分析[J].机械设计，2012，27(7)：74-76.

[5] 徐诚，王亚平.火炮与自动武器动力学[M].北京：北京理工大学出版社，2006：150-236.

[6] 吕端，曾东建，于晓洋，等. 基于ANSYS Workbench 的V8 发动机曲轴有限元模态分析[J].机械设计与制造，2012:11-13.

Modal Analysis of Certain Type of Testing Gun Mount Based on ANSYS Workbench

ZHANG Jian, HE Lei, ZHOU Ke-dong

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Testing gun mount system is used to do the automatic shooting in stead of the gunners. In order to decrease the influence of the resonance on the structure destruction and the firing accuracy, its vibration characteristics need to do analysis. The testing gun mount geometry is established in Solidworks and the geometry is imported into ANSYS Workbench to conduct a modal analysis in order to obtain the natural frequency and vibration model and then, the reasons of deformation are analyzed and the weak parts are found out. These can provide basis for further modal experiment and optimization design.

testing gun mount; modal analysis; ANSYS Workbench

张健(1989-)，男,江苏盐城人，硕士研究生，研究方向武器系统理论与工程。

TJ25

A

1671-5276(2014)02-0082-03

2013-01-21