基于ANSYS Workbench 的迫擊炮緩沖機(jī)模態(tài)分析

任文勇，潘玉田，劉 佳，張忠營

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

迫擊炮是一種結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)動性良好的火炮，與同口徑其他地面火炮相比，具有體積小、質(zhì)量小、使用和攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。緩沖機(jī)作為迫擊炮的反后坐裝置，其作用是：①發(fā)射時(shí)，在炮彈飛出炮口以前，允許炮身和炮架之間的相對位移，保證炮身能沿著射角所定的炮膛軸線方向后坐，以提高射擊密集度；②發(fā)射時(shí)，在火炮后坐與復(fù)進(jìn)的過程中，使后坐部分對炮架不產(chǎn)生剛性沖擊，以減小作用在炮架和瞄準(zhǔn)鏡上的力；③發(fā)射后，保證炮身和炮架能靜止在一個(gè)確定的位置上，以提高發(fā)射速度和射擊密集度。本文基于ANSYS Workbench對迫擊炮緩沖機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，得到緩沖機(jī)的固有頻率，從而防止共振、自激振蕩之類的事故發(fā)生。

1 模態(tài)分析理論

圖1為某迫擊炮緩沖機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。該緩沖機(jī)的復(fù)進(jìn)緩沖簧固定壓縮在緩沖桿上，后坐時(shí)大、小彈簧串聯(lián)工作，因此，其縱向的結(jié)構(gòu)尺寸較小。

圖1 某迫擊炮緩沖機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)是在機(jī)械阻抗與導(dǎo)納的概念上發(fā)展起來的。模態(tài)分析或自由振動分析是用來獲得一個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。其運(yùn)動方程為：

其中：［M］為質(zhì)量矩陣；［K］為剛度矩陣；x 為位移向量。

在模態(tài)分析中，結(jié)構(gòu)假設(shè)為線性的，因此相應(yīng)地假設(shè)諧響應(yīng)為：

其中：φi為振型特征向量；ωi為振型i 的固有圓周頻率。通過取代線性方程中的值，可以得到如下方程：

注意到，解φi＝0 是沒有價(jià)值的，而ωi需要被求解，即：

在Mechanical模塊中對式（4）是在一定假設(shè)條件下求解的，即［K］和［M］都為常量，且假設(shè)材料是線彈性材料，使用小撓度理論，且還不包含非線性特性。

2 緩沖機(jī)模型的建立

由于ANSYS Workbench 本身的三維建模能力不強(qiáng)，因此需先在SolidWorks中建立緩沖機(jī)的三維模型，然后保存為X＿T 格式，再導(dǎo)入AWB 中。在對計(jì)算結(jié)果影響不大的情況下，對模型進(jìn)行了一定的簡化。某迫擊炮緩沖機(jī)有限元模型見圖2。

3 模態(tài)計(jì)算及分析

由于緩沖機(jī)是一個(gè)裝配體，它由多個(gè)零件組成，而零件之間必然會產(chǎn)生接觸對。但是，由于模態(tài)分析是純粹的線性分析，而且接觸對不同于非線性分析中的接觸類型，因此，本文將模型中涉及到的接觸對全設(shè)置為Bonded。

考慮到高階頻率在實(shí)際情況中出現(xiàn)較少，因此通過AWB軟件計(jì)算了某迫擊炮緩沖機(jī)的前8階模態(tài)。通過查看頻率和振型，就能了解在不同激勵作用下的結(jié)構(gòu)可能具有的動態(tài)響應(yīng)，其前8階固有頻率見表1，振型如圖3所示。

圖2 某迫擊炮緩沖機(jī)有限元模型

表1 某迫擊炮緩沖機(jī)前8階固有頻率

圖3 某迫擊炮緩沖機(jī)前8階振型圖

4 結(jié)論

通過有限元軟件ANSYS Workbench 對緩沖機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，得到了緩沖機(jī)的固有頻率，對防止共振、自激振蕩之類的事故發(fā)生具有一定的參考作用，同時(shí)對提高迫擊炮的射擊密集度和射擊精度有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 談樂斌，張相炎.火炮概論［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

［2］ 傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

［3］ 浦 廣 益.ANSYS Workbench 12 基 礎(chǔ) 教 程 與 實(shí) 例 詳 解［M］.北京：中國水利水電出版社，2000.