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      基于垂向固有振動仿真的身管口徑倍數(shù)設(shè)計研究

      2019-06-03 08:30:06邱群先劉可可
      艦船科學(xué)技術(shù) 2019年5期
      關(guān)鍵詞:炮口身管火炮

      邱群先,高 博,劉可可

      (中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

      0 引 言

      火炮身管是在高溫、高壓和受高速火藥氣體的沖擊下工作的。一般在極短的時間內(nèi)瞬時溫度可達(dá)到3000°左右,壓力可達(dá)到300 MPa左右。另外,身管通常都是數(shù)十倍于其發(fā)射炮彈的口徑,而且通常都是在身管后部進(jìn)行約束,屬于典型的細(xì)長懸臂梁結(jié)構(gòu)。身管的口徑倍數(shù),也即身管的長度需要結(jié)合其垂向固有振動性能進(jìn)行綜合考慮,以便降低起始擾動,提高炮彈發(fā)射時的動態(tài)精度。

      身管動態(tài)發(fā)射過程不可避免地需要關(guān)注其動剛度問題。身管口徑倍數(shù)對身管的動剛度具有重要影響,需要對身管的口徑倍數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計。孫海濤[1]通過對火炮發(fā)射動力學(xué)的模型進(jìn)行簡化,將火炮身管的振動問題簡化為移動質(zhì)量激勵下的軸向運動梁的振動問題進(jìn)行研究;姜沐等[2]將身管簡化為一端固定的懸臂梁,將彈丸的作用簡化為沿炮膛軸線加速移動的載荷,建立了身管振動的動力學(xué)方程;于會杰等[3]應(yīng)用分離主模態(tài)法,研究了彈丸導(dǎo)致身管橫向振動的原因,得出了在彈丸作用下火炮身管的振動響應(yīng);馬吉勝等[4]基于Kane方程Huston方法建立了彈炮耦合的動力學(xué)模型,模型中將身管處理成運動支撐上的懸臂梁、彈丸處理為剛體進(jìn)行研究;鄧劍[5]以機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS為計算工具,將身管作為柔性體處理,建立了考慮彈丸與身管的接觸——碰撞、身管和搖架的接觸——碰撞動力學(xué)模型,對兩棲火炮身管振動特性和參數(shù)的影響進(jìn)行分析;田福慶等[6]將艦炮身管視為彈性體對其彎曲振動對炮口位移的影響進(jìn)行研究。這些文獻(xiàn)研究都重點關(guān)注了在有激勵源——彈丸運動對身管振動的影響,而基于身管垂向固有振動條件下的身管口徑倍數(shù)設(shè)計研究的文獻(xiàn)尚不多見。

      本文即圍繞垂向固有振動因素對身管口徑倍數(shù)的設(shè)計進(jìn)行探討。對于大口徑艦炮,為實現(xiàn)遠(yuǎn)敵開火并在壓制地面火炮中處于上風(fēng),炮口初速高于地面火炮是其一個典型特點。因此大口徑艦炮身管往往都比同口徑的地面火炮身管要長,國外普遍采用的身管長度通常是其口徑的40~70倍。作為細(xì)長懸臂梁身管,實質(zhì)是一個具有無限多自由度的振動系統(tǒng),其橫向彎曲振動對身管發(fā)射瞬時的炮口姿態(tài)和身管周期性交變彎曲疲勞具有一定的影響。因此,研究基于垂向固有振動因素身管的口徑倍數(shù)對于判別身管的動剛度、及影響身管動剛度的結(jié)構(gòu)因素識別具有重要作用。

      1 不同口徑倍數(shù)對身管固有頻率和振型影響

      假定身管口徑為135 mm,身管材料的彈性模量為210 GPa,密度為7800 kg/m3。身管模型見圖1,其后部固定長度假定為700 mm,與藥室、坡膛部位尺寸均保持不變,身管總長作為變量??紤]身管前端自由(相對于不帶炮口制動器)、前端帶有集中質(zhì)量(相對于帶炮口制退器)2種情況,進(jìn)行仿真分析,身管固有振動的前10階固有頻率對比見表1。

      可以看出,隨著身管口徑倍數(shù)的增大,身管的對應(yīng)階次的固有頻率隨之降低;同等口徑倍數(shù)時,帶有集中質(zhì)量的身管的對應(yīng)階次的固有頻率較前端自由的身管的固有頻率小。

      按照表1數(shù)據(jù),繪制出不同口徑倍數(shù)的身管固有頻率對比圖,如圖2~圖5所示。

      圖3 不同口徑倍數(shù)的身管(帶集中質(zhì)量)固有頻率對比Fig.3 Natural frequency comparison of variable caliber-length barrel with lumped mass

      從圖2和圖3可以看出,45倍口徑身管的高階固有頻率明顯較54倍、60倍、70倍口徑身管的固有頻率高,而54倍、60倍、70倍口徑身管的固有頻率相差不是很大。因此,在身管口徑倍數(shù)的選取時,為追求炮口初速更大,身管長度可以選擇更大口徑倍數(shù),盡管總質(zhì)量有一定增大,但對其固有頻率的影響不是特別顯著。這可能也是國外大口徑艦炮身管一般選擇54~70倍口徑的原因之一。

      表1 不同口徑倍數(shù)身管前10階固有頻率對比表(單位Hz)Tab.1 Comparison table of variable caliber-length barrel with first ten natural frequency (Hz)

      圖4 45倍口徑身管帶與不帶集中質(zhì)量時固有頻率對比Fig.4 Natural frequency comparison of 45-caliber-length barrel with and without lumped mass

      圖5 70倍口徑身管帶與不帶集中質(zhì)量時固有頻率對比圖Fig.5 Natural frequency comparison of 70-caliber-length barrel with and without lumped mass

      從圖4和圖5可以看出,45倍口徑身管帶與不帶高階固有頻率相差較大,而70倍口徑身管帶與不帶集中質(zhì)量時固有頻率十分接近。從這個意義上講,45倍口徑身管不帶炮口制退器更有利于身管減小高階振動。而70倍口徑身管則適合加裝炮口制退器,在達(dá)到同等振型時還有利于減小后坐阻力。

      圖6和圖7是45倍口徑和70倍口徑身管的振型對比圖,從圖中可以看到不帶集中質(zhì)量的45倍、70倍口徑身管的振型趨勢相同;帶有集中質(zhì)量的45倍、70倍口徑身管的振型趨勢基本相同,但在第9階固有頻率時的振型趨勢剛好相反;帶與不帶集中質(zhì)量的同口徑倍數(shù)身管在第4,5,7,8階固有頻率呈現(xiàn)出反向振型的特點。這可能是集中質(zhì)量增大了質(zhì)量矩陣,對剛度矩陣造成了一定影響。

      圖6 45倍口徑身管前10階橫向振動固有振型Fig.6 Natural modes of vibration of 45-caliber-length barrel with first ten natural frequency

      圖7 70倍口徑身管前10階橫向振動固有振型Fig.7 Natural modes of vibration of 70-caliber-length barrel with first ten natural frequency

      2 各階次固有頻率下對身管垂向位移的影響

      根據(jù)表1固有頻率階次,對45倍口徑、70倍口徑4種身管口部正上方節(jié)點的垂向位移進(jìn)行提取研究,各階次固有頻率對應(yīng)的垂向位移見表2。

      表2 不同口徑倍數(shù)身管前10階固有頻率對應(yīng)垂向位移對比表Tab.2 Drooping displacement comparison table of variable caliber-length barrel with first ten natural frequency

      按照表2數(shù)據(jù),繪制出各階次固有頻率對應(yīng)的身管垂向位移曲線圖,如圖8和圖9所示。

      圖8 45倍口徑身管各階次固有頻率對應(yīng)的垂向位移Fig.8 Drooping displacement of 45-caliber-length barrel with first ten natural frequency

      從圖8可以看出,不帶集中質(zhì)量的45倍口徑身管的第1~3階固有頻率所對應(yīng)的垂向位移較大,應(yīng)重點避開一階固有頻率時發(fā)生共振,帶集中質(zhì)量的45倍口徑身管的第1階固有頻率所對應(yīng)的垂向位移最大,同樣應(yīng)重點避開一階固有頻率時發(fā)生共振;從圖9可以看出,不帶集中質(zhì)量的70倍口徑身管的第5~7階固有頻率所對應(yīng)的垂向位移較大,應(yīng)重點避開第6階階固有頻率時發(fā)生共振,帶集中質(zhì)量的70倍口徑身管的第1~3階固有頻率所對應(yīng)的垂向位移較大,應(yīng)重點避開一階固有頻率時發(fā)生共振。

      值得說明的是,位移分析是一種趨勢化研究,因為得到的位移數(shù)值并不真正代表身管在該階固有頻率下的實際位移,而是一種經(jīng)過了正則化后的位移,反映的是不同固有頻率時身管口部振動位移的趨勢,如果在使用中恰好發(fā)生了共振,炮口的振動幅值將會大幅增加,振動衰減時間加長,不利于艦炮高發(fā)射率指標(biāo)的實現(xiàn)。

      圖9 70倍口徑身管各階次固有頻率對應(yīng)的垂向位移Fig.9 Drooping displacement of 70-caliber-length barrel with first ten natural frequency

      3 結(jié) 語

      通過對大口徑火炮身管自身的固有頻率和振型的仿真研究,可以初步認(rèn)為以提高炮口初速為目標(biāo),身管口徑倍數(shù)可到54~70倍之間,隨著口徑倍數(shù)的增加,炮口帶有集中質(zhì)量(炮口制退器)的振動頻率、振動位移與不帶集中質(zhì)量時相差不大,沒有顯著性;而45倍左右口徑倍數(shù)身管帶與不帶集中質(zhì)量時振動頻率、振動位移差別較大,更應(yīng)注意避免集中質(zhì)量帶來的振動問題;不同口徑倍數(shù)身管,其炮口振幅最大時對應(yīng)的固有頻率階次并不相同,實際設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體身管結(jié)構(gòu)條件進(jìn)行校核。

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