制退机流固耦合仿真分析

李太阳，郭保全，朱 锐，范林盛，王为昌

( 1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2. 65352部队，吉林 梅河口 135000)

制退机流固耦合仿真分析

李太阳1，郭保全1，朱 锐1，范林盛1，王为昌2

( 1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2. 65352部队，吉林 梅河口 135000)

传统的制退机流体与结构相互作用研究一般只注重于对内部流场的仿真分析，但都忽略了流体对结构的作用，仅将流场模拟的压力数值等同于结构所受压力，分析并不全面。文中通过建立制退机流场与结构场的耦合模型，在ANSYS Workbench一体化平台上，将内部流场数据传递给制退机结构场，运用Workbench集合的ANSYS Mechanical进行瞬态的固体分析，得出结构体所受的应力应变数据，为制退机结构设计提供了理论依据。

流体力学；火炮；制退机；流固耦合；结构仿真

制退机是火炮的重要组成部分，主要功能是对火炮射击时火药气体产生的后坐力起缓冲作用，以保证火炮的射击稳定性提高射击精度。现代火炮上普遍应用的是节制杆型制退机，它的特点是结构简单而且该型制退机的缓冲性能比较容易控制[1]。

目前对于制退机的研究主要集中在单纯分析制退机内固体运动对流体产生的影响，然后根据流体的变化去分析制退机产生故障的原因，并没有考虑到制退机内部实际是一种流场和固体相互作用的环境，固体可能会因为流体的运动产生一定应变，从而改变流场的边界，影响后坐运动，这样分析得出的结果肯定会产生一定误差[2]。

笔者对火炮制退机流体与结构相互作用进行研究，通过计算机技术进行数值仿真，从时间空间上定量地描述流体与结构相互作用的情况，通过分析流体对固体造成的影响，为下一步火炮制退机结构优化设计，减少制退机故障发生率提供重要理论依据和参考。

1 建立制退机模型

1.1 制退机三维模型

火炮制退机为节制杆式制退机，工作介质为制退液。为了提高仿真的精度，而又不过分考虑细节问题，避免影响因素过多，导致计算误差更大，通过改进前人的建模问题，结合计算实际与工程实际情况，建立制退机模型，如图1所示。

1.2 制退机结构场网格划分

网格的数量和质量代表了数据传递的质量，为了保障仿真的精确性，结构场的网格划分也应尽量细致，以保证流固耦合传输的准确性，结构场采用Mechanical物理场，运用四面体网格划分，Patch Conforming方法，单元尺寸设为4 mm，细化中心点，共划分网格节点99 377个，网格单元298 132个，网格半剖模型如图2所示[3]。

2 耦合和固体力学基础

流体与结构体相互作用问题需要将流体与结构体进行耦合处理，求解时处理耦合问题的方程，定义域既包含固体域也包含流体域。流固耦合按机理可分为耦合作用仅发生在两相交界面上和耦合的两域部分或全部重叠在一起，如多孔介质渗流，制退机的接触属于前者[4]。

2.1 固体控制方程

由流体运动引发固体振动、位移的控制方程为

(1)

式中：Ms为固体质量矩阵；Cs为阻尼矩阵；Ks为结构刚度矩阵；r为固体的位移；τs为固体受到的应力。

2.2 耦合控制方程

流固耦合交界面上流体与固体的位移、热流量、温度、应力都相等，即：

(2)

式中：q为热流量；T为温度。

求解流体固体相互分析的耦合控制方程，首先要建立耦合控制方程的普适形式，然后给定耦合方程所需各个参数以及合适的初始计算要素和边界条件，最后运用当前主流求解流固耦合相关问题的方法——直接耦合求解法[5]。

控制方程离散化的直接耦合解法，就是同时解各变量。

(3)

流体固体相互作用控制方程离散化的分离解法不需要将流体和固体控制方程耦合求解，而是按照一定先后顺序，流体方程在流场求解器中进行单独求解或者固体控制方程在结构场求解器中进行单独求解[6]，然后将前一单独场的计算数据通过流固耦合交界面(FSInterface)传递数据给另一场，从而实现分离求解。

3 结构场仿真条件设置

将制退机流场仿真的数据加载给结构场，设置制退筒、节制杆、节制环均为柔性体。制退筒、节制杆的材料均为40Cr，密度为7 820kg/m3，弹性模量为213.5GPa，泊松比为0.31，抗拉强度为785MPa，屈服应力为600MPa。节制环采用的材料为铝黄铜，密度为8 900kg/m3，弹性模量为71GPa，泊松比为0.32，热膨胀系数为1.88×10-5K-1。结构场模拟时间为105ms，时间步为50μs，与流场保持一致[7]。定义节制环与制退筒、节制环与制退杆为绑定接触，制退杆与制退筒的两个接触面为圆柱副，后坐速度加载在制退杆后端面上，流场数据根据交界面分别加载。设置如图3所示，其中A为制退筒与地面建立的固定约束，B、C为移动副，D为速度矢量，E、F、G、H为压力加载项，如图3所示。

4 仿真结果分析

4.1 等效应力结果分析

制退机在火炮后坐时，将火炮的后坐能量转化为制退液的内能，承受火炮后坐力和流体的液压阻力，作用时间短，能量大，制退机相应的应力结果能很好地展示制退机各个部位的受应力情况，为结构设计提供依据。 图4所示为不同时刻节制杆等效应力半剖图。

从图4中可以看出，制退机节制杆应力在火炮后坐时产生周期性变化，应力集中在节制杆根部，节制杆的运动是上下晃动，局部应力最大值为373.31 MPa，小于屈服极限，所以不会产生塑性变形，但节制杆会产生弹性应变。由于火炮后坐时，流体在极短时间内从静止状态变为高速紊乱流动状态，其过程伴随巨大的能量传递，在此过程中节制杆受液流冲击从而产生振荡。

图5所示为节制杆根部距离端面5 cm处外圆上一点的等效应力变化曲线。

从图 5中可以看出，节制杆所受等效应力呈波动分布，曲线并不光滑，等效应力数值有些振荡，这是由于制退机节制杆在湍流作用的影响下所引起的，等效应力的最大值为373.31 MPa，节制杆处于不断振荡状态，在后坐结束时，液流速度并未静止，由于节制杆存在着惯性，所以节制杆等效应力并不为0。

图6所示为节制环所受的应力最大时的受力分布情况。

应力集中在节制环孔和节制环内面，最大值为82.958 MPa，与制退杆接触处部位的应力也较集中，节制环的应力在后坐周期内变化较小，只会产生极其微小的弹性形变，基本可以忽略。所以节制环磨损的主要原因并不是应力太大，而在于流液孔处高速的液流冲击与空化效应，造成节制环附近会产生很大的瞬时压强，金属表面在其作用下会产生颗粒碎屑，混在制退液中，随着后坐过程，不断冲刷节制环和其他部件，从而导致制退机故障的发生。

4.2 等效应变分析

等效弹性应变是衡量某一结构弹性变形量大小的标量，它可以很好地展示构件的弹性变形分布，从而更好地对结构的关键部位进行分析。火炮制退机由于其他构件的弹性应变较小，基本可以忽略，所以主要对制退机节制杆的等效弹性应变进行研究。制退机后坐过程中，不同时刻节制杆的等效应变分布如图7所示。

从图7中可以看出，节制杆的弹性应变主要发生在根部，节制杆尾部几乎不发生弹性应变，节制杆在5 ms时，最大的等效弹性应变量为0.000 2，还比较小。随着时间的增大，弹性应变量也逐渐增大，在13 ms时达到最大值0.001 86，然后逐渐减小。到27 ms时，等效弹性应变量为1.48×10-7，接近0，节制杆恢复到初始位置，然后进入下一个应变期。节制杆的等效弹性应变也呈周期性，图8为节制杆根部距离端面5 cm处外圆上一点的等效弹性应变曲线图。

由于湍流作用和计算误差的原因，等效弹性应变的曲线也有一些小的波动并不光滑，曲线整体连续性周期波动，节制杆等效弹性应变最大值为0.001 86，最小值为1.48×10-7，说明节制杆在极速紊乱的制退液流作用下，产生周期性上下振荡，可以为节制杆运动状态分析和结构分析作出一定贡献[8]。

4.3 节制杆变形分析

图9为不同时刻节制杆z向位移图，在图9中可以发现节制杆的运动在整个后坐过程中，呈周期性上下晃动，振幅为2.47 mm，z向位移由节制杆根部向节制杆尾部，呈现逐渐增大的趋势。

图10为制退机结构场模拟的不同位置的节制杆z向位移曲线。

从图10中可以发现节制杆的运动形式近似周期运动，周期时间为62 ms，节制杆尾部的振幅为2.47 mm，节制杆中段的振幅为0.090 8 mm，节制杆根部的振幅为0.031 5 mm，由于制退机在后坐结束时仍保留有一定的后坐速度以保证后坐到位，而且节制环也存在惯性，所以节制杆在后坐终止时仍有一定位移，处于上止点。制退液在制退杆活塞的挤压下，从工作腔I通过变直径的流液孔高速流入非工作腔II，在瞬时状态下，造成节制杆的扰动振荡。

本文所示制退机结构设计合理，振幅较小未造成内壁的碰触。假如制退机设计时出现缺陷，如流液孔设计不合理、制退杆内腔与节制杆间隙过小等情况，很有可能造成后坐速度过大，导致节制杆在III腔内振荡加剧，碰触制退杆内壁，从而造成液流紊乱，壁面磨损，产生金属颗粒。随着高速液流冲击节制环和其他构件，造成节制环和其他构件的冲蚀磨损，该磨损会导致火炮制退机不能正常工作、后坐过长、复进不到位等故障，影响火炮的射击精度和战术性能。

5 结束语

笔者主要对制退机结构场进行了仿真分析，得出了制退机关键部件的等效应力、等效弹性应变和节制杆的变形数据，直观地反映了制退机后坐工作时，所受的等效应力以及产生的等效弹性应变，节制杆的变形幅度，并分析了由于节制杆的振荡而消耗能量以及节制杆可能与制退杆内壁碰撞产生金属颗粒，从而导致制退机运作的两种故障情况，为今后火炮制退机结构设计及优化提供了理论参考。

References)

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A Simulation Analysis of the Fluid-solid Coupling of Recoil Brake

LI Taiyang1, GUO Baoquan1, ZHU Rui1, FAN Linsheng1, WANG Weichang2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China；2.65352 Forces, Meihekou 135000, Jilin, China)

The traditional research on the interaction between the fluid and structure of the recoil system only focused on the digital simulation analysis of the internal flow field but ignored the effect of the fluid on the structure. And it is not comprehensive to equate the pressure value of flow field simulation with that of structure. In ANSYS Workbench integration platform, through establishing the coupling model of flow field and structure field of the recoil brake, the author transferred the data of internal flow field to recoil brake. By means of transient solid analysis processed by ANSYS Mechanical, the data of the stress and strain of the structure was obtained, which will provide a theoretical basis for the design of recoil brake.

hydromechanics; howitzer; recoil brake; fluid-solid coupling; structural simulation

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.01.002

2016-04-08

国家自然科学基金(51275489)

李太阳(1991—)，男，硕士研究生，主要从事火炮结构仿真分析技术研究。E-mail：2713037296@qq.com

TJ303+.4

A

1673-6524(2017)01-0007-05