自行防空武器校轴装备构型与力学分析.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:作者简介:孟凡哲()男硕士研究实习员:.通信作者:范天峰()男硕士研究员:.:./.自行防空武器校轴装备构型与力学分析孟凡哲范天峰田亚锋黄 诚李银河(.西北机电工程研究所 陕西 咸阳.西安交通大学 航天航空学院 西安)摘要:校轴装备用于检验防空武器轴系间距尺寸与理论设计尺寸的一致性其性能对防空武器的火力打击精度影响巨大 某自行防空武器具有轴系繁多、轴系间距尺寸大的特点现有装备无法满足其校轴需求故结合主支板配置、连接结构方式等提出了一种新型校轴装备构型 对该校轴装备建立系统整体有限元计算模型基于真实使用场景下的受力条件对其依次开展静力学、屈曲及振动模态仿真分析获得了校轴装备的力学与外激励响应特征 新型校轴装备在使用条件下具有良好的刚强度特性装备构型稳定性能好能避免运输环境下的振动损伤满足校轴指标要求对校轴装备的构型设计与力学分析具有一定的参考意义关键词:自行防空武器校轴装备构型有限元力学分析本文引用格式:孟凡哲范天峰田亚锋等.自行防空武器校轴装备构型与力学分析.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言现代战争中空袭与反空袭作战伴随战争的始终是影响战争胜负的重要因素 我国幅员辽阔反空袭作战是防御作战体系建设的重点方向自行防空武器具有射速高、火力猛、精度好、可反多种目标的优点是末端近程防空的主力装备 自行防空武器主要由搜跟系统、火力系统底盘系统等组成在结构布局上自行防空武器的雷达/光电轴、身管轴等轴系具有一定的间距尺寸 校轴装备作为自行防空武器的配套装备用于检测防空武器各轴系间距尺寸与理论设计尺寸的一致性因此校轴装备的设计优劣与使用性能对防空武器的火力打击精度影响巨大某自行防空武器具有轴系繁多、轴系间距尺寸跨距大的特点现有校轴装备无法满足其校轴需求故研究设计了一种新型校轴装备 对校轴装备的总体结构构型及相关配置进行简要介绍通过仿真计算可对结构设计及其力学条件进行分析 对展开后的校轴装备分别开展重力条件下静力学、风力条件下屈曲仿真分析对收回状态下的校轴装备开展振动模态分析结果表明校轴装备的力学性能达标使用条件下能保证结构的稳定性 本文中所研制的校轴装备在满足使用性能指标的同时兼具结构轻量化及使用简便性开展的设计和仿真工作可为后续防空武器校轴装备的设计提供参考 校轴原理及装备构型.校轴原理某自行防空武器具有多个轴系如身管轴、雷达/光电轴及导弹轴等 随着长时间的使用防空武器会出现磨合消隙、振动偏移等现象各轴系在高低及方位上的间距尺寸会因此与理论设计值产生偏差从而影响武器的射击精度 校轴装备作为轴系精度检查装备具有与防空武器轴系理论间距尺寸完全相同的靶标 校轴时将防空武器调平并使其身管与校轴装备上身管轴(基准轴系)靶标十字重合通过其余分系统观察各自轴系靶标十字便可得到防空武器各分系统轴系与理论设计的间距偏差将该偏差进行修正便可完成校轴.总体结构设计新型校轴装备主要由主板、支板及连接座等组成主板是各支板的连接主体支板用于展示各轴系十字连接座用于固定校轴装备 支板与主板采用转轴和销轴进行连接这使得校轴装备具有展开和收回 种状态(如图 所示)支板可绕转轴进行转动到位后在销轴的作用下进行固定所有支板展开并固定好即为校轴装备的工作状态 校轴完成后支板可收回以节约收纳空间亦利于改善边缘支板的受力条件图 校轴装备设计图.主、支板结构设计主板设计为矩形薄板结构在不与支板及连接座连接的地方进行大幅镂空设计以减轻校轴装备的整体质量 下方设计为倒三角结构在减少冗余材料的同时更方便与连接座的安装根据自行防空武器的轴系及其分布特点校轴装备设计有 个支板 各支板均呈长条薄板状亦采用大幅镂空设计 支板的轴系十字靶标设计为圆形凹槽结构将圆形靶标均分为 个半圆并对相邻半圆涂以不同颜色用来清晰展示各轴系十字 左右外侧及顶部支板通过销轴与转轴连接于相邻支板上即外围支板可绕内侧支板进行旋转 该设计的缺点在于所有支板仅靠内部支板与主板处的连接实现支撑整体结构可认为是悬臂梁状态 因此设计时加大了内侧支板销轴与转轴之间的间距以改善其受力条件下文力学分析证明了该设计受力的合理性.连接结构设计校轴装备的连接结构包含以下 处:主板与连接座的连接、主板与内侧各支板的连接、外围支板与内侧支板的连接主板与连接座的连接依靠连接座凹槽与主板侧面进行定位通过螺栓、螺母实现紧固 主板与内侧各支板的连接、外围支板与内侧支板的连接均依靠销轴和转轴实现如图 所示销轴为可插拔式销结构包含销孔座、插销、压簧及手柄等 销孔座安装于主板及内侧各支板上插销、压簧及手柄等安装于内侧各支板及外围支板上 使用孟凡哲等:自行防空武器校轴装备构型与力学分析时通过手柄拉动插销压缩压簧便可使插销与销孔座脱离此时支板可绕其转轴进行旋转 旋转到位后松开手柄插销在压簧的作用下自行插入销孔座并完成固定转轴主要由底座轴、止磨衬套、转销及端盖等组成 底座轴安装于主板及各内侧支板上止磨衬套安装于底座轴上转销及端盖安装于各内侧支板及外围支板上 支板旋转时转销绕底座轴旋转同时转销底面与耐磨衬套间产生滑动 端盖与底座轴采用螺纹连接长时间旋转使用后可通过拧紧端盖来防止转销与底座轴的松脱 转轴设计如图 所示图 销轴设计图.图 转轴设计图.校轴装备有限元模型建立.模型简化为保证计算的合理性有限元建模过程中对校轴装备进行以下简化和假设:)材料的屈服强度、泊松比等属性为固定理论值不考虑加工、环境等条件对材料固有力学属性的影响)忽略支板厚度形成的阶梯即展开后各支板与主板平齐连接)将销轴、转轴视为各板的自身结构即展开后的校轴装备为一体化结构件并视为均质各项同性材料进行求解)螺钉孔、销轴孔等孔无导角部分孔洞缺陷填补处理)忽略对结构整体力学计算影响较小的部件如销轴把手、连接座、连接螺钉等)忽略加工、装配过程中产生的初始应力及尺寸偏差简化后校轴装备的有限元模型如图 所示图 校轴装备简化模型.材料属性及网格划分基于有限元中的梁、板单元的组合对系统结构进行描述对校轴装备的主板和支板赋予相同的材料(铝合金)其基本力学属性见表 对展开的校轴装备模型进行网格划分如图 所示 采用局部区域加密的四面体网格网格包含 万个节点 万个单元网格平均质量为.收回的校轴装备结构复杂且重叠区域多为保证计算准确缩小了网格单元尺寸 划分完成的网格包含 万个节点 万个单元网格平均质量为.表 材料属性 密度/()屈服强度/屈服极限/杨氏模量/泊松比主板、支板.图 校轴装备网格划分.校轴装备力学分析.重力条件下静力学分析展开后的校轴装备在连接座的固定作用下处于静止状兵 器 装 备 工 程 学 报:/./态主要承受重力作用 依据校轴装备的实际工作状态对主板与连接座相接触的底部平面施加固定约束(连接座已忽略)环境条件设置标准重力加速度./、方向为 轴仿真计算结果如图 所示图 重力分析.从图 中可以看出重力条件下校轴装备的应力主要集中在 个位置:主板与左右两侧支板的连接处最大等效应力为.两侧支板可视为悬臂梁在承受较大应力的同时 最 大 变 形 位 置 也 出 现 在 左 右 两 端 最 大 变 形 为.满足作战技术指标要求借助航空结构件的安全裕度对校轴装备的构型强度进行分析 /()()式()、式()中:为安全裕度为材料的许用应力为仿真计算得到的最大应力为材料的失效应力此处取为屈服强度 为安全系数取为.经计算可得.这说明校轴装备具有较大的安全裕度构型强度满足受力要求.风力条件下屈曲分析野外环境常遇大风天气风力作用于校轴装备靶面会使支板发生变形影响使用性能并有倾覆损坏风险 为保证校靶装备在风力扰动作用下保持稳定须对其开展屈曲分析施加与重力条件下相同的固定约束对校轴装备施加压力载荷./(风压 .为空气密度取./为 级风风速取最大值./)方向沿 轴垂直于板面以模拟 级风力条件 计算求取风力条件下校轴装备的一阶、三阶和五阶屈曲因子屈曲变形云图如图 所示 对应各阶屈曲因子见表 图 风力条件下屈曲变形云图.表 屈曲因子 阶数最大屈曲因子最大相对变形量/.对于屈曲分析而言第一阶屈曲模态是系统整体结构的最不稳定状态且初次屈曲的载荷状态与实际载荷状态较为相似故针对第一阶屈曲变形开展屈曲压力计算 校轴装备的屈曲压力为 ()式()中:为计算施加的载荷为./为屈曲因子为.经计算可得一阶屈曲压力为./这意孟凡哲等:自行防空武器校轴装备构型与力学分析味着只有风压达到./时校轴装备的构型才会失稳校轴装备在 级风力条件下具有良好的结构稳定性.工作状态下模态分析对工作状态下的校靶装备开展模态分析以期提取其固有频率及振型从而避免外激励带来的振动损伤并基于此给出使用建议 在模态分析中低阶模态振幅大且参与系数高因此重点开展了校靶装备的低阶模态分析 模态分析时对校轴装备的支板底面施加固定约束图 展示了分析结果从图 中可以看出在工作状态下校轴装备的一阶及三阶模态振型的表现形式为垂直主板及支板平面振动区别在于最大相对位移发生在不同支板处五阶模态振型的表现形式为绕支板连接轴扭转振动系统的相对位移更加显著校轴装备的前五阶固有频率最大为.这表明校轴装备在低频下具有较差的刚度特性图 装备展开状态下各阶模态振型云图.根据空气动力学原理当空气流过物体时会在其后形成漩涡脱落 当漩涡的脱落频率(涡激频率)与物体自身的固有频率相等时物体便会发生风致振动从而对物体本身造成损伤 涡激频率 为()式()中:为斯特劳哈尔数将长支板看作圆柱横截面近似计算取.为风的速度 为特征长度矩形结构取过流面积与周长之比的 倍为.风速与涡激频率对照表见表 表 风速与涡激频率对照表 风级风速/()上限下限频率/上限下限.结合模态分析与涡激频率计算结果可知对于 级以下风力而言 级风力及 级风力有可能产生与校轴装备自身低阶固有频率相同的激励频率校轴装备存在共振损伤风险 因此工作时应尽量避免 级风、级风等低频外激励工况以避免校轴装备损伤及减小校轴精度误差.收回状态下模态分析在运输过程中校轴装备须承受车辆颠簸带来的随机振动 为确定校轴装备的固有频率及振型从而避免运输过程中发生共振影响产品的可靠性这里对收回状态下的校轴装备开展模态分析 对主板前后面添加固定约束约束状态下校轴装备的模态分析结果如图 所示 从图 可以看出校轴装备在前六阶固有频率下振动时系统的位移主要发生在各支板上不同阶模态下位移位置不同但显著位移均集中在各支板末端这说明支板末端更易发生结构大变形须给予固定措施以改善变形位移 其中校轴装备在四阶模态下模态振型的相对位移更为显著 依据军用装备振动试验标准可知自行武器底盘的振动频率发生在 高于校轴装备位移显著振型的发生频率 此外校轴装备包装箱内具有与校靶设备折叠后完全契合的固定海绵在实际运输过程中对各支板末端具有较好的固定与缓冲防护作用可使校轴装备有效避免因行驶颠簸而引起的共振损伤兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 装备收回状态下各阶模态振型云图.结论根据某自行防空武器具有轴系繁多、轴系间距大的特点提出了一种新型校轴装备构型并分析了其在真实使用场景下的刚强度、结构稳定性及固有频率特性 研究得到的主要结论如下:)新型校轴装备构型兼具高刚强度及轻量化支板可旋转式设计机构动作灵活展开后各轴系的间距尺寸精准、收回后整体结构方正且占据空间小)重力条件下校轴装备最大变形发生在左右两侧支板处最大变形为.满足刚度及作战指标要求构型强度安全裕度为.满足强度要求)以 级风力条件计算校轴装备的屈曲变形最大屈曲因子为 .最大相对变形量为.计算表明校轴装备具有较好的结构稳定性)工作状态下的校轴装备在低频下(./.)具有较差的刚度特性应尽量避免在 级风力及 级风力等低频外激励工况下开展校轴工作)收回状态下校轴装备的模态振型的变形位移集中在各支板末端在四阶模态下校轴装备模态振型的相对位移更为显著此时其固有频率为 低于自行武器底盘的最低振动频率在实际运输时通过在校轴装备包装箱内添加海绵以固定各支板可有效避免校轴装备发生共振损伤参考文献:李魁武.现代自行高炮武器系统总体技术.北京:国防工业出版社.:.刘琪孙兆龙武晓康等.强磁场环境模拟系统线圈支架设计及力学仿真.国防科技大学学报():.():.肖自强贾亦卓杨利.一种流口可控软后坐火炮反后坐装置设计与仿真.弹道学报():.():.郭欣朱仕尧刘观日等.刚性包带式星箭连接装置非线性静力学分析与结构优化.西北工业大学学报():.孟凡哲等:自行防空武器校轴装备构型与力学分析 ():.单悌磊白照广陈寅昕等.捕风一号卫星构型与结构优化设计.西北工业大学学报():.():.陈珂孔永芳符晓刚等.近程防空导弹绝缘气路接头的结构设计.兵工学报():.():.申理精耿坤李盘浩等.索杆桁架式可展开机构设计与力学分析.机械工程学报():.():.李忠唐陆文龙徐如斌等.基于 静力学仿真的起重机减摇臂结构设计.舰船科学技术():.():./:.刘嘉鑫袁军堂汪振华等.新型钛合金炮口制退器结构设计与分析.兵器材料科学与工程():.():.张淼隋欣党海燕等.复合材料火箭筒体的力学响应分析及建模方法研究.弹箭与制导学报():.():.孙玲庆李志刚王思杰.某火炮翻板机构回转臂的结构优化设计.兵器装备工程学报():.():.安国琛王辉顾龙飞等.高频脉冲负载下的飞行器结构分析.西北工业大学学报():.():.中华人民共和国国家标准/./.金灵智王禹郝鹏等.加筋路径驱动的板壳自适应等几何屈曲分析.力学学报():.():.王珏支亚非程家林等.太阳能无人机薄膜蒙皮非线性屈曲分析.科学技术创新():.():.孙龙勇姚灿江李付永等.水平回转式隔离开关风致振动研究分析.高压电器():.():.来永斌张文龙王龙等.屋顶光伏阵列不同放置角度的风载荷研究.合肥工业大学学报(自然科学版)():.()():.米良聂国林程珩.风力发电机叶片等效载荷计算及载荷谱分析.机械设计与制造():.():.中华人民共和国军用标准.科学编辑 王惠源 博士(中北大学 教授)责任编辑 唐定国兵 器 装 备 工 程 学 报:/./