基于ANSYS Workbench 的迫击炮缓冲机模态分析

任文勇，潘玉田，刘 佳，张忠营

（中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051）

0 引言

迫击炮是一种结构简单、机动性良好的火炮，与同口径其他地面火炮相比，具有体积小、质量小、使用和携带方便等优点。缓冲机作为迫击炮的反后坐装置，其作用是：①发射时，在炮弹飞出炮口以前，允许炮身和炮架之间的相对位移，保证炮身能沿着射角所定的炮膛轴线方向后坐，以提高射击密集度；②发射时，在火炮后坐与复进的过程中，使后坐部分对炮架不产生刚性冲击，以减小作用在炮架和瞄准镜上的力；③发射后，保证炮身和炮架能静止在一个确定的位置上，以提高发射速度和射击密集度。本文基于ANSYS Workbench对迫击炮缓冲机进行模态分析，得到缓冲机的固有频率，从而防止共振、自激振荡之类的事故发生。

1 模态分析理论

图1为某迫击炮缓冲机结构示意图。该缓冲机的复进缓冲簧固定压缩在缓冲杆上，后坐时大、小弹簧串联工作，因此，其纵向的结构尺寸较小。

图1 某迫击炮缓冲机结构示意图

模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。模态分析或自由振动分析是用来获得一个结构的固有频率和振型。其运动方程为：

其中：［M］为质量矩阵；［K］为刚度矩阵；x 为位移向量。

在模态分析中，结构假设为线性的，因此相应地假设谐响应为：

其中：φi为振型特征向量；ωi为振型i 的固有圆周频率。通过取代线性方程中的值，可以得到如下方程：

注意到，解φi＝0 是没有价值的，而ωi需要被求解，即：

在Mechanical模块中对式（4）是在一定假设条件下求解的，即［K］和［M］都为常量，且假设材料是线弹性材料，使用小挠度理论，且还不包含非线性特性。

2 缓冲机模型的建立

由于ANSYS Workbench 本身的三维建模能力不强，因此需先在SolidWorks中建立缓冲机的三维模型，然后保存为X＿T 格式，再导入AWB 中。在对计算结果影响不大的情况下，对模型进行了一定的简化。某迫击炮缓冲机有限元模型见图2。

3 模态计算及分析

由于缓冲机是一个装配体，它由多个零件组成，而零件之间必然会产生接触对。但是，由于模态分析是纯粹的线性分析，而且接触对不同于非线性分析中的接触类型，因此，本文将模型中涉及到的接触对全设置为Bonded。

考虑到高阶频率在实际情况中出现较少，因此通过AWB软件计算了某迫击炮缓冲机的前8阶模态。通过查看频率和振型，就能了解在不同激励作用下的结构可能具有的动态响应，其前8阶固有频率见表1，振型如图3所示。

图2 某迫击炮缓冲机有限元模型

表1 某迫击炮缓冲机前8阶固有频率

图3 某迫击炮缓冲机前8阶振型图

4 结论

通过有限元软件ANSYS Workbench 对缓冲机进行模态分析，得到了缓冲机的固有频率，对防止共振、自激振荡之类的事故发生具有一定的参考作用，同时对提高迫击炮的射击密集度和射击精度有一定的指导意义。

［1］ 谈乐斌，张相炎.火炮概论［M］.北京：北京理工大学出版社，2005.

［2］ 傅志方，华宏星.模态分析理论与应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2000.

［3］ 浦 广 益.ANSYS Workbench 12 基 础 教 程 与 实 例 详 解［M］.北京：中国水利水电出版社，2000.