火箭炮定向器模态有限元分析

2015-12-31谢春雨龚华雄严蜀宇

机械工程与自动化 2015年1期

谢春雨，刘璐，龚华雄，严蜀宇

（中国人民解放军78618部队，四川成都 610100）

0 引言

第二次世界大战过后，随着科学技术的不断进步，多管火箭炮得到了迅速的发展。初步统计，世界上约有30多个国家都在生产火箭炮，火箭炮的型号有60多个，火箭炮的口径在Φ51mm～Φ400mm，定向器的管数在2管～75管，最大射程在6.5km～70km。火箭炮定向器的结构有管式定向器、笼式定向器、滑轨式定向器和贮箱式定向器，其发展遵循的技术要求包括性能、使用、安全、运输、存放、维修和经济等，要求能够在各种场地、各种天气条件下完成火箭的发射任务，确保安全和可靠，其结构简单易于组装，操作简单快捷，便于火箭的安装、监测和发射，尽可能做到机械化和自动化。定向器在运输或是在火箭弹发射时都要受到外力的作用，当作用力小于箱体和弹药的安全限度时，不会造成箱体和火箭弹可靠性状态的明显改变；而当运输环境力较大时，就可能导致箱体强度不够，发生弯曲，定向器的直线度下降，使火箭弹的发射精度大大降低，同时在运输过程或是在发射时受到机械振动可能会发生共振，对火箭炮定向器进行模态分析就是要使定向器结构在特定的环境下满足其使用要求。

1 定向器模态理论分析

常规模态分析有两种方式：试验模态分析和计算模态分析。试验模态分析是通过试验采集的方法对定向器的输入和输出信号辨识后得到其模态参数，考虑到定向器长达几米，质量重，试验的方法难度较大，因此本文使用计算模态分析的方式对定向器进行分析，其模态结果由有限元软件中的ANSYS计算得到。

本文对定向器的模态进行分析时，将其近似为线性系统，根据达朗贝尔原理，其系统的理论模态可表示为：

其中：［M］，［C］，［K］分别为系统的总体质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；｛X｝，｛｝，｛｝分别为节点的位移向量、速度向量和加速度向量；｛F（t）｝分别为节点的动载荷向量。将阻尼项去掉，这时无阻尼自由振动的方程为：

装载在定向器中的火箭弹可以简化为一弹性梁，由定向器中的导槽通过火箭弹定心部提供位移约束，且在发射过程中约束发生了变化，如果将定向器轴向方向的变形忽略不计，只考虑横向弯曲变形，则定向器的位移u（x，t）可用模态函数线性组合近似表示为：

其中：Φj为定向器的模态振型；qj表示广义坐标，qj1和qj2分别为两个正交方向的分量。

2 定向器有限元模态分析

2.1 定向器有限元模型

本文以某型号的火箭炮定向器为研究对象，首先利用三维软件UG对其进行建模，再将UG建立的模型导入到ANSYS中对定向器的模型进行前处理。在UG中建立的火箭炮定向器简化模型如图1所示，将UG三维模型数据导入ANSYS后生成的几何模型如图2所示。

2.2 定向器自由模态分析

对定向器进行自由模态分析有助于在对其进行设计时了解其自身结构的一些固有特性。为模拟定向器的自由状态，一般做法是将其整体悬挂起来，使整个定向器结构与地面分离开。本文利用有限元软件ANSYS对定向器进行模态分析时，自由模态的计算是不施加任何位移约束的。对于自由模态的计算，前6阶模态均为刚体模态，所以定向器自由模态的前6阶模态固有频率为零或接近于零。图3为定向器自由模态下的一阶振型云图。