某型步兵战车炮塔结构瞬态动力学分析

韩小平，杨明华，王国刚，郝　刚

(1.装甲兵工程学院 兵器工程系， 北京　100072； 2.总装备部通用装备保障部，北京　100720)

某型步兵战车炮塔结构瞬态动力学分析

韩小平1，杨明华1，王国刚1，郝刚2

(1.装甲兵工程学院 兵器工程系， 北京100072； 2.总装备部通用装备保障部，北京100720)

摘要：为验证炮塔结构设计的合理性，采用有限元方法分析炮塔的模态，并在此基础上运用模态叠加法分析炮塔在2种不同口径火炮射击状态下的动态响应，得到了炮塔的应力和位移随时间变化情况，验证了炮塔结构总设计的合理性，同时发现炮塔局部刚度存在缺陷。使用动力学分析方法不仅简化了验证炮塔结构的工作过程，还为该型炮塔的后期优化改进提供数值参考。

关键词：炮塔；动态叠加法；动态响应

炮塔是火炮的重要组成部分，不仅可以提供必要的防护，它还是火炮的载体，连接着火炮和底盘，其性能好坏直接影响到火炮的射击精度和稳定性。传统的炮塔结构常采用类比的设计思想，设计者依据经验从多个方案中选出较好的一个[1]。某型步兵战车同时装备有大口径火炮和小口径自动炮，其炮塔承受的射击载荷较其他类型炮塔更加复杂。因而在炮塔设计过程中必须考虑2种口径火炮的射击后坐载荷。

本文运用瞬态动力学有限元分析方法，建立了某型步兵战车炮塔的有限元模型，重点分析了在方向射角为0°，高低射角为60°的射击条件下，在大口径火炮单发射击和小口径自动炮连续射击2种状态下的炮塔结构的动态响应，得到了2种状态下炮塔结构的应力和变形情况，为步兵战车炮塔结构的设计提供了参考。

1瞬态动力学的理论基础[2]

瞬态动力学分析是用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随机组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。

瞬态动力学平衡方程

(1)

ANSYS提供了3种方法求解式(1)：完全法、缩减法及模态叠加法。考虑到计算量，本文采用计算效率最高的模态叠加法。模态叠加法是通过对模态分析得到的振型(特征值)乘上因子并求和来计算结构的响应的分析方法。

2炮塔结构的有限元模型

某型步兵战车炮塔由装甲钢板焊接而成，整体结构为密闭式10面椎体双人炮塔，正前方为炮框，安装托架，托架通过耳轴轴承安装摇架，摇架上并列连接大口径火炮和小口径自动炮。炮塔顶部开有炮长门、车长门、小口径火炮补弹口和导弹补弹口等。本文采用Solidworks建立实体模型，在建模过程中对炮塔结构进行了简化，简化过程依据结构的受载环境、传力特点、材料和边界约束属性来进行，简化后导入ANSYS中，采用8节点solid95单元进行网格划分，共划分单元101 034个，节点178 712个，得到的有限元模型如图1 所示。

图1　炮塔结构有限元模型

3结构的模态分析

ANSYS通过模态分析来结算结构的固有振动特性，这种分析的目的是确定结构的固有频率计振型。模态分析是其他一些ANSYS动力分析的基础，例如基于模态叠加法的瞬态动力学分析和谐响应分析、响应谱分析等[3]，在采用模态叠加法对炮塔进行瞬态动力学分析前需要对炮塔进行模态分析。模态分析采用分块兰索斯法(BlockLanczos)。

本文研究的炮塔通过座圈同步兵战车联结为一个系统。火炮发射时，炮塔座圈与车体座圈之间将会产生接触变形，同时炮塔座圈的前面部分和车体座圈会产生间隙，因此，要精确模拟座圈处的约束情况比较困难，但是为了能尽可能真实地反映出炮塔的动态特性，求解中仍然采取将炮塔座圈处的自由度完全约束的方法对实际的边界条件进行模拟[4]。计算得到的炮塔前6阶固有频率如表1所示，前6阶振型如图2～图7所示。

表1　炮塔结构前6阶模态频率

图2　炮塔1阶振型　　图3　炮塔2阶振型

图4　炮塔3阶振型　　图5　炮塔4阶振型

图6　炮塔5阶振型　　图7　炮塔6阶振型

通过前6阶振型图看见，炮塔结构的振动总体符合壳体结构的振动特点，但又表现出局部振动特征，变形较大区域主要为炮塔顶部车长门与炮长门附近。原因为此处开设的舱门较多，造成整体刚度不足，因此在炮塔结构改进中应在此处加加强筋，弥补刚度不足。

4射击状态下炮塔结构动态响应

4.1　火炮后坐载荷的施加

火炮发射过程中，强大的后坐冲量通过反后坐装置缓冲后作用在托架的耳轴孔上。由于不考虑起落部分摇架的微小变形，后坐阻力通过刚性耳轴，经过与耳轴连接的轴承作用到托架上[5]。为与实际情况相同，在耳轴孔中心处建立一节点O，然后在耳轴孔受力面的一系列节点与O节点之间建立刚性单元(MPC184)，以保证力能按照实际情况传递到托架上[6]。

本文选择火炮在水平射角0°，高低射角60°的射击条件下，求解炮塔结构的动态响应。由于该型步战车并列装备有2种口径的火炮，因此摇架结构与其他类型火炮摇架不同，如图 8所示，其中右侧大孔连接大口径火炮，左侧小孔连接小口径自动炮，大口径火炮身管轴线到左右耳轴孔的距离比为6.3/3.7，小口径自动炮身管轴线到左右耳轴孔距离比为3.6/6.4，因此在模拟托架受力情况时，按照比例在左右耳轴孔施加响应的载荷。

图8　摇架

4.2　大口径火炮发射时炮塔动态响应

该型步兵战车大口径火炮主要用于摧毁敌轻型装甲目标、野战工事和杀伤人员，具有全炮质量轻，膛压低，后坐小的特点。火炮后坐时间为0.13 s，本研究选择分析时间长为0.21 s。计算得到炮塔结构的位移和应力响应，经初步分析，当大口径火炮发射时，位移及应力最大处位于顶部装甲，应力最大处位于炮框左上角，选择顶部装甲中部的93636号节点进行位移分析，选择位于炮框左上角的7741号节点进行应力分析，结果如图9、图10所示。

同时，由于左右托架承受的后坐载荷并不相同，因此导致左右托架变形也不相同，选择处于左托架的8084号节点和右托架对应位置的8053号节点进行垂直和水平方向上变形过程进行计算分析，分析结果如图11、图12所示。

图9　93636号节点垂直方向位移随时间变化情况

图10　7741号节点等效应力随时间变化情况

图11　8053,8084号节点处置方向位移随时间变化情况

图12　8053,8084号节点水平方向位移

通过对计算结果的分析发现，大口径火炮发射时，炮塔顶部位置位移较大，原因为此处开设舱门较大，导致刚性下降；炮框左上角等效应力较其他部位大，原因有2个，一是开设的小口径火炮补弹口减少此处受力面，二是此处连接的装甲厚度变化大，存在断面，导致成为应力集中区。同时，大口径在发射时左右托架变形情况不同，在发射瞬间左侧托架水平方向变形较右侧大，而右侧托架再垂直方向变形比左侧大，分析原因为在发射瞬间，原因为连接托架的炮框在发射时发生轻微扭转。

4.3　小口径自动炮发射时炮塔动态响应

小口径自动炮用于杀伤和摧毁射程范围内的有生力量、轻装甲目标和直升机。具有质量轻、射速快、初速大的特点。本文选择自动炮5连发射击状态下，分析炮塔结构的动态响应，有限元模型和约束条件不变，在加载计算时，考虑将后坐载荷简化为三角波形。在小口径火炮连续射击条件下，炮塔变形最大位置处于炮塔顶部的92807号节点处，变化情况如图13所示，应力最大部位仍处于炮框左上角的7741号节点，变化情况图如14所示。

图13　92807号节点垂直方向上位移变化情况

图14　7741号节点应力变化情况

小口径自动炮连续射击条件下，做头托架上8053号节点和8084号节点在垂直和水平方向上位移变化情况如图15、图16所示。

图15　8053,8084号节点Y向位移

小口径在连续射击时，炮塔变形最大部位仍处于炮塔顶部中间部位，应力最大部位液仍然处于炮框左上角，变形和应力都较小，同时小口径自动炮连续射击时，左右托架变形很小，左右托架变形差也很小，炮框扭转微弱。

图16　8053,8084号节点X向位移

5结论

1) 通过分析计算，炮塔结构总体设计合理，强度余量比较充足。

2) 由模态分析可知，炮塔振动表现出局部振动的特点，局部振动处于炮塔顶部车长门与炮长门之间。应在此处增加加强筋，提高刚度。

3) 大口径火炮射击时，炮框左上角存在应力集中区，同时炮框发生轻微扭转，对火炮远距离射击的精度有一定影响。

4) 小口径自动炮连续射击时，炮塔的变形与应力都较小，炮塔强度余量充足。

参考文献：

[1]张相炎,郑建国,杨军荣.火炮设计理论[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[2]张洪才,何波.有限元分析—ANSYS13.0从入门到实战[M].北京:机械工业出版社,2011.

[3]尚小江,邱峰,赵海峰,等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].2版.北京:中国水利水电出版社,2008.

[4]孙亮.自行火炮炮塔动静态特性分析[D].南京:南京理工大学,2007.

[5]余红英,黄晋英,潘宏侠.某自行火炮车体有限元刚强度分析[J].华北工学院学报,2003,24(2):116-119.

[6]刘郑国,龚沈光.基于ANSYS的舰炮托架模态分析[J].舰船科学技术,2010,32(9):51-54.

(责任编辑周江川)

收稿日期：2015-02-21

作者简介：韩小平(1982—)，男，硕士， 讲师，主要从事车载武器系统测试与仿真研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.007

中图分类号：TJ811+.91

文献标识码：A

文章编号：1006-0707(2015)07-0024-04

本文引用格式：韩小平，杨明华，王国刚，等.某型步兵战车炮塔结构瞬态动力学分析[J].四川兵工学报，2015(7):24-27.

Citation format:HAN Xiao-ping, YANG Ming-hua, WANG Guo-gang, et al.Transient Dynamics of Structural Analysis of Turret-Type Infantry Fighting Vehicles[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):24-27.

Transient Dynamics of Structural Analysis of Turret-Type
Infantry Fighting Vehicles

HAN Xiao-ping1, YANG Ming-hua1, WANG Guo-gang1, HAO Gang2

(1.Department of Arms Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;

2.General Armament Department, General Equipment Support Department, Beijing 100720, China)

Abstract:In order to verify that the turret structure design is reasonable, turret mode was analyzed by using finite element method, and the dynamic response of two different caliber artillery firing state was analyzed by the use of modal superposition method based on the above analysis and got the changes of stress and displacement of the turret over time and verified the reasonableness of the overall design of the turret structure, and also found the disadvantages of the turret local stiffness flawed. Kinetic analysis used in the paper not only simplifies the process of verification of the turret structure, later also provides optimized and improved numerical reference for the turret.

Key words:turret; dynamic superposition method; dynamic response

【装备理论与装备技术】