基于Workbench的车载高炮炮身模态分析

吕佼珂，程广伟，胡　勇，高　鑫，王华亭

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳　712099)



基于Workbench的车载高炮炮身模态分析

吕佼珂，程广伟，胡勇，高鑫，王华亭

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳712099)

高炮炮身固有模态对全炮的动态特性及其射击精度影响分析至关重要。针对某车载高炮炮身的结构特征和约束条件，应用Workbench软件建立了某车载高炮炮身的有限元模型，通过对其模态分析，求解得到车载高炮炮身在约束条件下的固有频率和振型。在此基础上，针对不同质量的炮口装置以及复进簧前支撑环位置对炮身模态的影响进行了仿真，进一步分析了炮身振型与自动炮射速之间的关系，为车载高炮的射击精度分析打下了一定基础。

Workbench；炮身；模态分析；固有频率

炮身是火炮的一个主要部件，它的主要作用是完成已入膛炮弹的发射任务，承受高温、高压火药燃气压力，赋予弹丸一定的初速、射向等外弹道飞行初始参量[1]。射击过程中，由于炮身承受高温、高压火药燃气的波动压力和弹丸膛内运动的作用力，炮身将产生后坐、复进运动，并承受供弹力、输弹力、关(开)闩力、抽壳力、复进机力、驻退机力、高低随动驱动力矩、平衡机不平衡力矩、自身运动的惯性力/矩、摇架导向的支撑力和摩擦力等，炮身将产生剧烈的振动现象。尤其是对高射速发射的高炮起落部分而言，将承受连续发射冲击，炮身结构有可能产生共振。因此，炮身结构的固有特性将直接影响着火炮的射击精度。

针对火炮炮身设计及其对影响火炮射击精度的研究，吴东亚[2]等人对加长坦克炮身管进行了仿真分析，证明其达到了设计的要求，为坦克炮身管的动力响应分析和进一步的结构优化设计提供了参考；邓剑[3]等人建立了身管振动动力学模型，通过改变模型中摇架前后衬套距离，为减小炮口振动设计提供了依据；史跃东[4]等人建立了移动弹丸作用下身管的横向振动模型，对不同弹速激励下的身管振动响应进行了数值仿真，讨论了弹丸运动速度与炮口振动幅度的变化规律。

笔者以某车载高炮炮身为研究对象，通过对三维实体几何模型的简化，直接导入UG的X_T格式文件，应用Workbench软件的装配件接触关系自动识别、接触建模功能，对复杂的车载高炮炮身几何模型进行高质量的网格处理[5]，对某车载高炮炮身在摇架导向支撑的约束下进行了模态分析，得到了炮身的固有频率及其振型。在此基础上，针对不同质量的炮口装置，以及复进簧前支撑环位置对炮身模态的影响进行了仿真，进一步分析了炮身振型与自动炮射速之间的关系，为分析提高车载高炮的射击精度打下一定基础。

1　某车载高炮炮身有限元模型

1.1几何模型

某车载高炮炮身由炮口装置、身管和炮尾组成，其通过炮尾导轨和炮身复进簧前、后支撑环安装于摇架及其颈筒上，如图1所示。

为保证炮身结构有限元的划分网格质量和求解效率。在保证车载高炮结构主要力学特征的前提下简化炮身的几何模型。模型简化规则：

1)略去某些非承载件、装饰件以及对车载高炮部件动态刚强度影响较小的结构特征，如圆孔、螺纹孔、圆角和倒角等。

2)保证各部件的质量和质心同原始模型基本一致。

3)将一些曲率较小的结构件简化为直的结构件。

利用UG软件建立的车载高炮炮身的几何模型如图2所示。

1.2有限元模型

1.2.1材料属性设置

身管和炮尾的材料均选择炮钢PCrNiMoVA，其弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 801 kg/m3。

1.2.2炮口装置设置

由于炮口装置结构复杂，划分网格不易，因此将炮口装置作为集中质点作用于身管口部。该炮口装置的质量为22.4 kg，质心坐标为(4 734.7，-111，-197.1)mm。在身管上施加质量点的位置如图3所示。

1.2.3网格划分

在有限元分析中，网格的划分是有限元计算的基础，网格质量的好坏直接影响计算结果的准确性。划分网格的数量越多，分析精度越高，同时也需要更大的计算机内存和消耗更多的运算时间。因此，划分网格是需要在分析精度和资源使用方面进行权衡。Workbench中的网格划分非常智能化，可以在自动生成网格的同时对精度要求较高的区域自动调节网格密度，得到的网格质量较高[6]。

笔者根据炮身大小选取单元大小自动进行网格划分后，在模态分析mesh分支下的statistics选择Element Quality对网格的质量进行检查，调整单元大小和类型直至结果都接近1为止。最后对车载高炮炮身选择的网格单元大小为15 mm，节点总数为357 737个，单元总数为229 646个，如图4所示。

1.2.4约束处理

在炮身的有限元模型中，在复进簧前、后支撑环和炮尾与摇架滑轨接触地方添加约束。其中，复进簧前、后支撑环处施加圆柱面约束；在炮尾与摇架滑轨接触面施加固定约束。

2　某车载高炮炮身模态分析

2.1炮身固有频率分析

在Workbench中的modal模块下可计算得到炮身的1～200阶固有频率。由于低阶频率对系统的振动特性影响最大，故取炮身的前10阶模态进行分析，表1为炮身前10阶固有频率及其振动周期，图5～10为炮身前6阶固有振型。

表1　 炮身前10阶固有频率及其振动周期

从炮身模态计算结果可以看出：炮身的前10阶固有频率在11.532～379.01 Hz之间，振型为俯仰、水平交错有规律的振动。

2.2炮身固有频率与自动机射速匹配分析

火炮持续高频射击时，相当于给炮身施加一定频率的冲击载荷，出于对射击精度的考虑，必须使射击频率远离炮身以上各阶固有频率。

已知该车载高炮的射速为120发/min，即射击频率为2 Hz。与表1对比可知，射击频率远离炮身的各阶固有频率，身管不会发生共振，设计满足使用要求。

2.3复进簧前支撑环位置对炮身模态影响分析

摇架颈筒通过复进簧前支撑环对炮身具有支撑作用。现将复进簧前支撑环在炮身的固定位置向前移动50 mm，其他约束条件不变，对炮身模态进行计算，得到炮身前10阶固有频率、振动周期见表2。

表2　复进簧前支撑环前移的炮身模态分析结果

将表2对比表1可知，复进簧前支撑环前移后固有频率在前4阶稍有增大，后6阶稍有减小，振动周期变化与固有频率相反，振型的变化规律基本一致。弹丸出炮口的时刻也避开了振动速度最大的时刻，对射击密集度的影响相对较小，各阶自振频率均小于射击频率2 Hz。因此，证明了炮身后坐过程中，复进簧前支撑环前移对炮身模态的影响不大。

2.4炮口装置质量对炮身模态影响分析

在设计范围内，笔者把炮口装置的质量由22.4 kg改为15 kg。其他约束条件不变，对炮身模态进行计算，得到炮身前10阶固有频率、振动周期见表3。

表3　不同炮口装置质量的炮身模态分析结果

将表3对比表1可知，减小炮口装置的质量，得到的固有频率值比原来均偏大一些，但炮身振型的变化规律基本是一致的。质量增大则固有频率值均变小，其他变化亦不大。弹丸出炮口的时刻也避开了振动速度最大的时刻，对射击密集度的影响相对较小，各阶自振频率均小于射击频率2 Hz。因此改变炮口装置质量对炮身模态分析影响不大。

3　结论

针对某车载高炮炮身射击时，有可能出现共振问题，笔者应用Workbench软件对其行了模态分析计算与研究，主要结果如下：

1)该车载高炮炮身结构的设计是合理的，其各阶固有频率远离自动炮射击频率。

2)复进簧前支撑环前移和炮口装置质量在设计范围变化对炮身固有频率和振动周期影响不大，振型变化规律基本保持一致。

3)得到了一种快速检测高炮炮身结构设计是否合理的方法，为车载高炮的动力响应分析和进一步的结构优化设计提供了理论参考依据。

References)

[1]谈乐斌，张相炎，管红根，等．火炮概论[M]．北京: 北京理工大学出版社，2003．

TAN Lebin, ZHANG Xiangyan,GUAN Honggen, et al. Artillery survey[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2003. (in Chinese)

[2]吴东亚，邢宏光，崔军．基于虚拟样机技术的某型坦克炮炮身模态分析[J]．火力与指挥控制，2011,36(7)：65-67．

WU Dongya, XING Hongguang, CUI Jun. Modal analysis on a certain tank gun barrel based on virtual prototyping technology[J]. Fire Control and Command Control, 2011,36(7)：65-67. (in Chinese)

[3]邓剑，郭宝全，韩海涛．基于摇架约束的炮口振动仿真分析[J]．计算机仿真，2012,29(9)：14-16．

DENG Jian, GUO Baoquan, HAN Haitao. Study on muzz-le vibration based on projectile-barrel rigid-flexible coup-ling and contact/impact[J]. Computer Simulation, 2012,29(9)：14-16. (in Chinese)

[4]史跃动，王德石．舰炮振动的刚柔耦合动力学分析[J]．弹道学报，2010，22(1)：37-39．

SHI Yuedong, WANG Deshi. Vibration analysis of naval gun by rigid-flexible coupling dynamics[J]. Journal of Ballistics, 2010,22(1)：37-39. (in Chinese)

[5]张洪才，何波．有限元分析——ANSYS 13.0从入门到实战[M]．北京: 机械工业出版社，2013．

ZHANG Hongcai, HE Bo. The analysis of finite element：ANSYS 13.0 from the introduction to the master[M]. Beijing: China Machine Press, 2013. (in Chinese)

[6]司豪杰，田哲文，梅小明，等．基于Workbench的客车车身骨架模态分析[J]．北京汽车，2013(4)：9-12．

SI Haojie,TIAN Zhewen,MEI Xiaoming, et al. Modal analysis on the bus body frame based on Workbench[J]. Beijing Motor Vehicle,2013(4)：9-12. (in Chinese)

Modal Analysis of a Trucked Anti-aircraft Gun Barrel Based on Workbench

LYV Jiaoke, CHENG Guangwei, HU Yong, GAO Xin, WANG Huating

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

The natural modal of the barrel plays a very important role in dynamic performances of the whole gun and firing accuracy of the anti-aircraft gun. In response to the structure features and constraint conditions of the trucked anti-aircraft gun barrel, the Workbench software is applied to establish the finite element modal of the barrel. Through modal analysis, the inherent frequency and mode of vibration of the trucked anti-aircraft gun barrel in constraint condition are worked out. Based on this, in response to the muzzle device of different qualities and the recoil spring’s front tube supporting position affecting the modal of the barrel, the simulation analysis is made, which further analyzes the relationship between the barrel formation and automatic gun’s firing rate. This can provide a foundation for the improvement of the firing accuracy of the trucked anti-aircraft gun.

Workbench; gun barrel; modal analysis; inherent frequency

2015-06-23

吕佼珂(1990—)，女，硕士研究生，主要从事火炮设计技术研究。E-mail：263330120@qq.com

TJ303

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1673-6524(2016)01-0036-04