某轻型火炮高平机模态分析

王东旭，刘树华

（中北大学 武器装备技术学院，山西 太原 030051）

0 引言

高低机和平衡机是火炮的重要组成构件，为了提高战场生存能力，某轻型牵引火炮设计时在对现有高低机和平衡机研究的基础上，采用了一种集高低机和平衡机功能于一体的液体气压式高平机结构，当火炮被赋予一定的射角后，该装置起平衡机的作用，当打动手轮改变火炮射角时，该装置起高低机和平衡机的复合作用。和独立的高低机和平衡机相比，它具有结构简单、质量轻及易操作等特点［1］。

振动现象是机械结构经常遇到的问题之一，由于振动会造成结构的共振或疲劳从而破坏结构，因此了解结构本身具有的刚度特性即结构的固有频率和振型，可避免在使用中因共振造成的不必要损失［2］。模态分析是高平机研发过程中结构分析的重要内容，通过模态分析掌握高平机结构振动的关键指标，特别是低阶弹性模态等数据，是完成后续结构动力学设计、振动特性优化和故障诊断等的基础和依据［3］。

ANSYS Workbench是目前CAE的主流分析软件之一，它融结构、热、声、电磁、流体等分析为一体，并且拥有丰富的材料与单元库，用户可根据具体情况合理地选取单元类型及材料特性，高效地完成各种复杂的工程问题求解。本文利用ANSYS Workbench完成对某轻型牵引火炮高平机的模态分析。

1 高平机物理模型的建立

1.1 高平机结构及几何模型处理

液体气压式高平机由上球轴、内筒、活塞杆、内筒压盖、外筒、外筒紧塞块、外筒压盖、下球轴、圆螺母、密封装置等组成，其结构如图1所示，其中高平机为火炮最低射角状态［4］。

本文用SolidWorks建立某轻型火炮高平机的三维几何模型，在保留主要结构的基础上对模型中的非重要结构进行了适当删除和简化，利用几何模型数据接口导入ANSYS Workbench 14.5中进行离散，网格的单元类型为4节点线性4面体单元（C3D4），控制单元尺寸为5mm，这样划分后的模型共有326 680个节点，200 581个单元。最后得到的模型结构和实际基本一致，故计算正确性和经济性可以得到保证［5］。图2为划分网格后的高平机有限元模型。

图1 液体气压式高平机结构原理示意图

图2 划分网格的高平机有限元模型

1.2 材料参数

高平机材料采用45钢，屈服极限σs＝340MPa，密度ρ＝7.85×103kg/m3，弹性模量E＝211GPa，泊松比为0.3。

1.3 接触与约束

边界条件的设置直接影响整个机构的振型和固有频率，定义活塞杆与外筒间接触类型为绑定，活塞杆与内筒、内筒与外筒之间接触类型为无摩擦，定义下球轴端面固定约束，上球轴x方向为自由无约束。

2 求解分析

本文选用ANSYS软件提供的Block Lanczos（分块兰索斯）法提取了该高平机的前6阶模态并进行了模态扩展［6］，表1给出了高平机有限元模态分析得到的前6阶模态固有频率，图3～图8给出了前6阶的模态振型。

表1 高平机的固有频率

从图3～图8中可以看出，1阶模态是频率为88.995Hz的XZ平面弯曲，2 阶 模 态 是 频 率 为95.691Hz的XY平面弯曲，3 阶 模 态 是 频 率 为109.64Hz的绕X轴扭转，4阶模态是频率为271.76 Hz的XZ平面2阶弯曲，5阶模态是频率为394.94 Hz的XY平面2阶弯曲，6阶模态是频率为502.75 Hz的2阶扭转。

图3 高平机的1阶振型

图4 高平机的2阶振型

3 结论

高平机受到的外部激振因素可概括为两类：一是机动时路面的随机激振，频率一般小于10Hz；二是火炮射击时造成的激振，某轻型火炮射击频率在20发/min以下。高平机的低阶扭转和弯曲模态分别为88.995Hz和95.691Hz，远离了路面的激励频率和射击频率的发生范围，从而能够有效地避免共振现象的发生，因此，高平机满足动态特性的条件，符合高平机设计的要求。

图5 高平机的3阶振型

图6 高平机的4阶振型

图7 高平机的5阶振型

图8 高平机的6阶振型

［1］张训国，顾克秋.轻型牵引火炮高平机结构设计及有限元分析［J］.机械制造，2012，41（2）：17－19.

［2］陈运生.液体气压式高低平衡机运动计算和结构分析［J］.南京理工大学学报，1994（2）：43－49.

［3］张相炎.火炮设计理论［M］.北京：北京理工大学出版社，2005.

［4］浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例分析［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［5］吴迎春.液体气压式高平机的研究与仿真分析［D］.南京：南京理工大学，2006：32－52.

［6］王宇，刘凯，林永龙.ANSYS软件在结构模态分析中的应用［J］.机电工程技术，2013，42（9）：38－40.