兵器装备工程学报

舰炮建模仿真应用研究

分类:主编推荐 发布时间:2019-04-13 13:44 访问量:1727

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本文引用格式颜世刚,齐亚峰.舰炮建模仿真应用研究[J].兵器装备工程学报,2019,40(2):10-14.

Citation format:YAN Shigang, QI Yafeng.Applied Research on Simulation of Naval Gun Modeling[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2019,40(2):10-14.



作者简介颜世刚(1972—),男,硕士研究生,主要从事舰载防空导弹系统、舰炮武器系统试验及仿真研究,E-mail:yanshigang169@sina.com;齐亚风(1979—),男,硕士研究生,主要从事舰炮武器试验与仿真研究。



舰炮建模仿真应用研究

颜世刚1,齐亚峰2

(1.中国人民解放军92941部队41分队, 辽宁 葫芦岛 125001; 2.中国人民解放军92941部队43分队, 辽宁 葫芦岛 125001)

摘要提出了基于有限元的多软件平台交叉应用、模块化的舰炮建模仿真思想,分析了舰炮有限元建模仿真的一些问题和技巧,完成了某型舰炮机械系统建模及其静态仿真,得出了摇架强度、刚度的应力和位移云图,对舰炮检查测试、故障分析具有重要意义。

关键词有限元;舰炮;建模;刚体;网格;HyperMesh


Applied Research on Simulation of Naval Gun Modeling

YAN Shigang1, QI Yafeng2

(1.The Unit 41 of the No. 92941st Troop of PLA, Huludao 125001, China; 2.The Unit 41 of the No. 92943rd Troop of PLA, Huludao 125001, China)

Abstract: It presented the idea of multi-software platform cross application and modularization on simulation modeling of naval gun mechanism system based on finite element. The paper analyzed some question and technique of finite element. The modeling and static simulation were completed on some naval gun mechanism system, and the nephogram of tiffness and strength of naval gun cradle were simulated and calculated, and the stress-strain change was analyzed and the simulation result were given out. It is great significance to the test and fault analysis of naval gun for the simulation analyse of the stress-strain change of naval gun mechanicalparts

Key words: finite element; naval gun; modeling; rigid body; mesh; HyperMesh


舰炮机械结构复杂,工艺、材料、加工精度要求高,其设计和加工是否满足要求,决定着舰炮射击的稳定性和可靠性。在实际试验鉴定中,为了检测和考核舰炮是否满足各项指标和设计要求,最有效的手段是实弹射击,但是实弹射击成本高、组织实施难度大。通过舰炮有限元建模仿真,能够辅助分析和评估舰炮的各项性能指标,为试验分析提供有力的理论和数据支撑。基于有限元的舰炮建模仿真,模型的好坏直接影响评估分析的准确性[1-2]。舰炮是一个高度复杂的机械系统,零部件众多,发射过程具有很强的非线性,无论是建模还是仿真均有很大难度[3],本文分析了基于有限元的舰炮仿真建模应用中的一些问题和技巧,结合不同仿真软件对舰炮仿真分析,如HyperMesh和ABAQUS的联合仿真;HyperMesh为前处理软件,能够建立各种复杂结构的有限元模型,指标全面;ABAQUS在解决非线性问题,尤其是解决复杂的接触、碰撞问题等方面有很强的优势[4-5]

1 有限元建模分析

在有限元分析中,首先是对所要研究的对象进行进行物理结构的分析、归类,选择合适的物理模型进行有限元分析建模。不同物理模型之间的区别在于假定的几何模型不同[6-7]。在研究舰炮有限元建模中,采用的实体单元的形状有六面体和楔形体,壳单元的形状以四边形为主,有少量三角形单元,实际结构要根据各自的物理特征选择相应类型的单元。

实体部件在结构建模中要进行网格化,网格化的精细程度决定了模型的逼真度,同时也影响仿真的速度和精度。当进行结构建模的静态分析时,对于位移分析,模型网格的精细度可以降低,如果求解应力分布,模型网格的精细度要适当提高[8]

在研究的舰炮有限元建模中,网格尺寸选取的原则是零部件分析的单元基本尺寸5 mm,最小单元尺寸2 mm;系统分析的单元基本尺寸10 mm,最小单元尺寸4 mm;特殊精度要求的区域适当细化。

网格疏密分布是指根据需要在结构的不同部位分布不同的网格密度[9-11]。位移分析、结构固有特性分析、温度场分析,尽量使模型网格均匀分布;在梯度变化较大的结构模型部位(如应力集中区),尽量采用密集网格。舰炮结构建模重点关注的质量指标有雅可比、外观比、翘曲度、偏斜度、内角等。

在舰炮结构建模时,由于其结构复杂,部件繁多,形状各异,因此建模形成的单元类型多样,在互相结合时,不同类型单元的节点自由度和节点配置会出现不一致的情况,为确保不同结构的模型单元在交界面上的位移协调性,壳元与体元的连接采用SHELL-TO-SOLID耦合约束[11],不同类型单元的连接如图1、图2所示。


图1 实体单元与壳单元连接


图2 壳单元与壳单元连接

2 舰炮实体模型简化与处理原则

实体建模通常不使用HyperMesh和ABAQUS,舰炮CAD模型是在其他专用三维造型软件中按照其实际尺寸完成,完成后导入HyperMesh和ABAQUS软件中进行有限元建模处理。

有限元分析中有两类坐标系:全局坐标系和局部坐标系。本文中全局坐标系,定义如下:直角坐标系o_xyz的三轴按如下方式定义:x轴沿身管轴线指向炮口方向为正,y轴竖直向上为正方向,z轴以右手定则确定。局部坐标系是用户自己定义的坐标系,目的是为了加载、约束或装配的方便。当载荷或约束的方向与全局坐标系不一致时,应采用局部坐标系。

舰炮CAD模型在专用三维造型软件中完成,而有限元网格划分采用HyperMesh软件,两种软件之间进行数据交流时需要格式转换。实体模型导入到HyperMesh软件中时,首先要注意各模型单元之间的位置不能错乱、关系必须正确;其次各模型单元的几何模型的尺寸必须正确,允许各面有微小缺陷、裂缝和自由边;最后根据刚强度建模的需求,对非受力件做简化处理,对各面有微小缺陷、裂缝和自由边的情况利用HyperMesh的对应工具进行修补[13]

3 某型舰炮有限元建模仿真示例

舰炮的有限元建模采用模块化思想,这提高了建模的效率,节省了时间和精力,便于后期方案的修改、重组分析和模型修改完善。为了保证导入模型的质量,我们把全炮的实体模型分成几个结构部件单独转入转出,这符合模块化建模的思想。在进行实体部件建模时,将舰炮划分为后坐、摇架、上架和底盘等4个主要部分,每个部分划分成若干小部件单元,每个小部件又由形状各异的零件组成[12]。各个模块既可以单独分析,又可以与其他模块通过定义约束关系组合在一起分析。需要对某些部件或零件结构进行修改时,只需取出该部分所在的模块进行修改,其他的模块不需要作任何变动。

以实际定型的某新型舰炮为研究对象,其需要建模的部件主要分为四部分:后座、摇架、上架、底盘。对舰炮各主要部件的仿真模型建立正确的连接关系,并施加各种载荷,完成其静态模式下应力应变的仿真。

1) 主要部件有限元建模网格化原则

后坐部分主要包括身管、炮尾、炮闩及反后坐装置上的运动部件。炮尾和身管均采用三维实体单元,单元类型以六面体为主,含少量楔形体。

摇架的前衬套、摇架筒、左右耳轴、齿弧等采用三维实体单元,其余部分采用壳单元。

上架两侧板、底板、筋板采用壳单元,耳轴室采用三维实体单元。

底盘上的座圈采用三维实体单元,其余采用壳单元。

2) 机构接触碰撞建模原则

舰炮系统中的接触/碰撞现象具有以下特点:一是受到瞬时冲击载荷;二是相互接触的零部件之间有大位移滑动摩擦,如炮身的后坐运动。舰炮接触/碰撞问题建模的界面如图3、图4所示。


图3 炮身后坐部分接触/碰撞建模界面


图4 炮尾与摇架滑轨

3) 连接关系及边界条件建模

通过HyperMesh二级菜单栏链接ABAQUS/CAE,在其Interaction功能模块定义接触关系、约束关系、连接关系等[14],其相互作用主要有以下几种:

① Interaction定义模型各部分之间或模型与外部环境之间的力学或热相互作用。

② Constraint定义模型各部分之间的约束关系,如绑定约束、刚体约束等

③ Connector定义模型中的两点之间或模型与地面之间的连接单元,用来模拟固定连接、铰接、恒定速度连接、止动装置、内摩擦、失效条件和锁定装置等。

④ 主菜单Special中的Springs/Dashpots定义模型中的两点之间或模型与地面之间的弹簧和阻尼器。

身管与炮尾之间、炮尾与炮闩、座圈与底盘采用Tie连接(固定连接关系),上架与摇架之间采用旋转运动副连接,上架与底盘通过结构固连。采用连接关系建模如图5~图8所示。

4) 发射载荷建模

舰炮发射载荷一般有膛底压力、复进机力、制退机力、重力等,通过菜单栏链接ABAQUS/CAE,在其Load功能模块进行发射载荷建模。ABAQUS/CAE Load功能模块中的载荷包括集中力、力矩、压力、板壳边上的力或弯矩、面上载荷、管压力、体力、线载荷、重力、螺栓力、位移/转角、速度/角速度、加速度/角加速度、温度、声音压力、孔隙压力等[5,14]。其中,膛底压力的载荷建模如图9所示,复进机力与制退机力施加方式如图10所示。


图5 炮闩与炮尾之间的Tie连接


图6 上架与摇架支架的旋转副连接


图7 上架与底盘之间的连接


图8 座圈与底盘之间的连接


图9 膛底压力加载


图10 复进机力与制退机力加载

5) 有限元模型检查

舰炮有限元模型的规模一般较大,达到十几万至几十万个单元,有的模型达到上百万个单元,几十个组,上百个连接单元,在建模时难免出现差错。整个模型建好后要重点检查零部件间的网络质量、连接关系、模型与舰炮实体的吻合程度、接触分析、边界条件与配重等。

网格质量:检查自由边、重复单元、雅可比、外观比、翘曲度、偏斜度、内角等。要求无重复单元、自由边、单排单元,焊接边有两排以上单元;按照质量检查文件,无红色单元,黄色单元不超过5%。

连接关系:检查螺栓的连接、焊接、粘结、柔性体与刚体的连接、不同类型单元之间的连接等。要求连接关系正确,重要区域的连接无遗漏,无自由单元、重复单元和自由边,自由度的约束要完全。

边界条件:检查载荷的作用点、大小、方向和载荷曲线,检查约束区域、自由度个数。要求作用点、大小、方向、载荷曲线正确,束条件正确,约束自由度、区域大小合理无冲突。

模型与实体的吻合程度:检查部件位置、装配体位置、部件质量、质心位置、转动惯量、装配体质量、质心、转动惯量等。要求每个部件及整个装配体应处于实际的初始位置,部件及整个装配体的质量、质心位置和转动惯量应与实际情况一致。

接触分析:检查接触类型、接触关系、接触面、穿透性。要求类型合理、属性正确,确保接触面正确、无穿透。

配重:检查位置、质量、质心、转动惯量等。要求配重件连接在刚度较大的部件上,质量、质心、转动惯量等与实体模型匹配。

4 舰炮静态应力应变的仿真

在舰炮静态状态下,选择不同高低角,输入不同的载荷,分析舰炮各个部件的应力应变情况,获取各部件应力和位移变化数据,找出应力位移变化的最大部位,对舰炮测试检查、故障分析排除提供理论数据支持。舰炮高低角可根据其实际工作状态选择多组典型角度,下面选择极限70°高低角作为研究状态。

舰炮静态有限元模型中包括摇架、上架和底盘,不包括后坐部分,后坐部分对摇架的作用通过摇架前、后衬筒对炮身的支持力N1N2及驻退机力和复进机力来反映。

极限工况高低角:70°;施加的载荷:复进机力Ffj、驻退机力Fzt、自身重力G、炮身对摇架前N1、后衬筒的支持力N2,具体数据如表1所示。

约束:上架座圈与对应的连接部件相接触的表面为固定约束。

表1 舰炮静态计算载荷


下面仅通过对摇架的应力应变仿真情况进行分析,其他部件情况仿真分析类似。

摇架强度仿真计算后的应力云图如图11所示。


图11 摇架应力云图

从计算结果可以看出摇架最大应力为259.1 MPa,位于摇架筒前端靠近制退机筒后方。

摇架刚度仿真计算位移云图如图12。左右耳轴中心的变形数据如表2所示。


图12 摇架位移云图

从表2可以看出:

1) 左右耳轴中心位移分布为0.499 mm和0.514 mm,变位差为0.015 mm。

2) 左右耳轴中心在xyz三个方向的变位差分别为0.008 mm、0.007 mm和0.026 mm。

3) 左右耳轴中心的变位差较小,左右变形基本对称。

从计算结果可以看出,摇架最大位移为1.702 mm,位于摇架复进机前端,左右耳轴中心位移分布为0.499 mm和0.514 mm,变位差为0.015 mm。

通过以上仿真计算能够分析出摇架受到最大应力部位和最大应力值,分析出最大形变部位及其形变量,从而结合舰炮技术指标分析其是否符合研制技术要求,也能为舰炮武器的故障定位、分析排除提供理论支持。

表2 左右耳轴中心变形(70°高低角)


5 结论

1) 更加复杂的舰炮运动学仿真,是分析舰炮射击、开火等运动的应力应变重要手段,其基础也是基于前期的建模和静态仿真。

2) 舰炮建立精细有限元模型是一个复杂的工作,首先根据实际装备建立三维CAD模型,然后进行模型的网格精细划分,最后对发射载荷、接触关系、边界条件、求解策略进行设置。

3) 复进机、制退机是时间、位移、速度的函数,必须在实际工作中对对仿真软件进行二次开发,正确建立载荷模型。

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