磁感应强度和阻尼通道间隙对某发射装置振动影响

赵致富,葛建立,张鸿浩,杨国来

(1.南京理工大学 机械工程学院,南京 210094; 2.北京特种机电研究所,北京 100012)

【装备理论与装备技术】

磁感应强度和阻尼通道间隙对某发射装置振动影响

赵致富1,葛建立1,张鸿浩2,杨国来1

(1.南京理工大学 机械工程学院,南京 210094; 2.北京特种机电研究所,北京 100012)

本文主要研究磁流变阻尼器应用在高速、高冲击性环境下发射装置的反后坐装置中，其结构参数磁感应强度和阻尼通道间隙对发射装置的振动影响；采用有限元和abaqus软件二次开发平台相结合的方法建立该发射装置结构动力学有限元模型，改变磁流变阻尼器的结构参数模拟整个装置的发射过程，研究发射装置的振动特性。仿真计算结果表明，输入不同的电流值和不同的阻尼通道间隙值会对发射装置振动特性产生影响，在设计和应用发射装置上磁流变阻尼器时应给予重视。

磁流变阻尼器；高速冲击；反后坐装置；振动特性

以磁流变液为介质设计的磁流变阻尼器(MR)是一种新型的半主动控制装置，目前对磁流变阻尼器的研究主要集中在低频、低速或随机载荷下的振动控制领域。磁流变阻尼器在高速、高冲击载荷下的研究相对滞后，尤其是将其应用在武器系统反后坐装置中，其优越的性能取决于阻尼器的结构参数，其中最主要的参数是输入电流值和阻尼通道间隙的大小，因此，研究输入电流和阻尼通道间隙对发射装置振动特性的影响对于磁流变阻尼器的设计有重大意义。

由于磁流变阻尼器的优越性能，磁流变阻尼器在各领域中得到了广泛的应用，针对磁流变阻尼器在高速冲击环境下的性能进行了深入研究。Lee Dug Young推导了磁流变液模型描述公式[1]。J.M.Ko等阐述了阻尼器建模方法及其应用[2]。张莉洁通过实验平台测试了磁流变阻尼器在高速冲击环境下的动态特性并做了分析[3]。侯保林研究了应用在舰炮上的磁流变阻尼器的本构模型以及模型参数的影响[4]。Ahmadian 等将磁流变阻尼器应用在中到大口径的枪械系统，研究结果显示磁流变阻尼器可减小后坐力、提高射击精度和系统稳定性[5]。李良军通过设计磁流变阻尼器参数并对某型号火炮后坐过程进行计算仿真动态分析，验证了冲击载荷下磁流变阻尼器应用的可行性[6]。胡红生通过冲击载荷激励作用的阻尼器动态响应实验平台验证了磁流变阻尼器优越的性能和可控性[7]。张俊飞、李强建立了某大口径火炮的有限元模型，分析了火炮结构参数对火炮振动特性的影响[8]、[9]。贾长治通过研究缓冲装置动态特性改进仿真方法，提高仿真结果的可靠性[10]。目前关于磁流变阻尼器的研究和在生活中的应用较为广泛，但是在高速、高冲击武器发射领域研究相对滞后，磁流变阻尼器结构参数对高速发射装置的振动特性影响的研究处于起步阶段。

针对现有文献中磁流变阻尼器的设计几乎都是以阻尼力和阻尼力可调范围两个设计指标计算阻尼器结构参数，本文建立了整个发射装置的有限元动力学模型，并计算仿真，得出磁流变阻尼器的关键结构参数磁感应强度和阻尼通道间隙对发射装置振动特性的影响规律，为专用磁流变阻尼器的结构设计提供新的思路。

1 发射装置结构有限元建模

1.1 发射装置组成及工作

以图1示意的某发射装置为研究对象，该发射装置主要由后坐部分、外筒、阻尼器安装座、磁流变阻尼器和滑轨等部件组成。发射装置发射时，炮膛合力提供后坐动力，迫使后坐部分(包括身管、支架等后坐部件)向后运动，而后坐阻力由两个对称布置的磁流变阻尼器提供，同时为装置复进提供动力。在炮膛合力的作用下，后坐部分沿滑轨向图中箭头方向后坐，后坐位移从零到最大位移处，速度从零加速到最大值再减速到零值，后坐过程结束。在磁流变阻尼器中复进簧的作用下完成后坐部分的复进到位过程。

图1 发射装置示意图

1.2 发射装置有限元建模

根据有限元建模方法利用Hypermesh软件对发射装置结构进行网格划分。对阻尼器安装座、滑轨、身管均采用缩减积分六面体单元进行划分；对外筒、支架等钣金件采用缩减积分壳单元进行划分，单元类型以矩形为主，含少量三角形；对缓冲器采用连接器、弹簧单元和质量单元进行模拟。为了便于输出炮口处的特征参数变量，将炮口中心点设置为参考点，并用耦合约束连接该参考点与炮口处的单元节点。为提高建模和计算效率，对小圆孔、圆角和倒角等进行简化处理。为了保证计算精度与准确性，对主要零部件结构应保证网格与实体的一致性，而且在关键位置进行网格细化。整个发射装置中，对于复杂的连接关系也必须进行妥善处理。通过在身管和支架上建立刚体约束模拟两者之间的连接关系；通过建立绑定约束，模拟阻尼器安装座与外筒、支座与安装板、滑轨支座与外筒等连接关系；通过建立耦合约束，模拟滑轨上法兰盘与滑杆、滑杆与支座以及阻尼器安装座上支座和销、销和拉杆等区域的接触碰撞关系。通过建立连接器，利用abaqus软件二次开发平台开发程序模拟磁流变缓冲器在受力情况下的运动关系。

1.3 施加载荷与边界条件

该发射装置在发射过程中，弹丸在身管膛内运动时间非常短，运动和受力情况较为复杂。发射过程中受的主动力为炮膛合力；而受到的其他外力主要是磁流变阻尼器提供的阻尼力和弹簧力，包括因磁场产生的库仑阻尼力、液体自身产生的黏滞阻尼力、密封处的摩擦力和复进弹簧产生的弹力；后坐复进运动过程中，滑轨上法兰盘和滑杆之间的摩擦接触会产生相应的摩擦力。在本研究中，炮膛合力对发射装置的作用是通过在身管上施加一个随时间变化的脉冲载荷等效压力模拟；而阻尼力则是通过在阻尼器与缓冲座和支架后板上的支座的连接点上施加一对共线且反向的随时间变化的集中力模拟，力的大小采用abaqus二次开发的Fortran程序施加；复进弹簧力则通过建立弹簧单元模拟弹簧随位移变化产生的弹力；滑轨上产生的摩擦力通过设置接触碰撞关系和设置摩擦因数模拟。在发射装置外筒后端面上施加全约束边界条件。脉冲载荷随时间变化曲线如图2所示，发射装置受力分析如图3所示。

图2 脉冲载荷等效压力随时间变化曲线

图3 发射装置受力分析示意图

2 磁流变阻尼器建模与阻尼力的计算方法

根据1.3小节的图3受力分析可以建立如下运动微分方程方程：

FR=Fη+Fτ+Ff+Fk

式中，m是后坐质量(kg)；Fpt是炮膛合力(N)；FR是磁流变阻尼器产生的总阻尼力(N)，包括与速度有关的黏滞阻尼力Fη、随磁场改变的库伦阻尼力Fτ、随液体压力改变的O型密封圈处的摩擦力Ff和复进弹簧产生的弹簧力Fk；f0是滑轨上法兰盘与滑杆的滑动接触摩擦力(N)。

图4是研究的磁流变阻尼器的结构示意图。该旁通阀式磁流变阻尼器由弹簧与磁流变阻尼装置集成，它具有磁流变缸和主缸两个油缸，励磁线圈缠绕在磁流变缸活塞上，二者形成一个磁通回路，使活塞与油缸形成的环状流口的磁流体具有一定的磁通密度，达到一定的屈服应力。

图4 磁流变阻尼器结构示意图

2.1 磁流变液本构特性模型

由于磁流变阻尼器自身的Bingham黏塑性特性，磁流变阻尼器的动力测试曲线表现出明显的非线性滞回特性。为简化模型，考虑磁流体会出现剪切稀化现象，选择Bingham模型进行阻尼器建模，描述磁流体的本构特性模型可用下式表示[3]：

2.2 阻尼力的计算

依据经典的流变力学理论，可推导得到剪切阀式磁流变阻尼器的阻尼力简化计算模型，即Bingham平板模型，该模型的阻尼力为[6]：

式中，Fη是与速度有关的黏滞阻尼力(N)；Fτ是随磁场而改变的库伦阻尼力(N)；η是磁流体的零场黏度(kPa·s)；L是活塞有效激活长度(mm)，即有效磁极宽度；Ap是活塞有效面积(mm2)；h是活塞与缸体间的阻尼通道间隙(mm)；D′是阻尼通道平均周长(mm)；τy是磁流体的剪切屈服强度(kPa)；v是活塞相对于缸体的运动速度(mm/s)。

考虑到阻尼器工作过程中的密封性，采用的O形密封圈处的摩擦力也要加以考虑，O形密封圈处的摩擦力Ff为[11]：

式中，fc是由O型圈的摩擦因数，fy是由磁流体压力引起附加摩擦因数，D是圆环状矩形槽直径(mm)，d是相对运动的表面直径 (mm)，p是磁流体压力(MPa)。

弹簧是为后坐部分复进提供动力的部件，弹簧的参数为：预压力240 N，刚度为10 N/mm。弹簧产生的力为：

Fk=240+10x

为求得阻尼器的阻尼力，首先需要确定流口中激活区的磁流体的屈服应力τy，根据实验测得的MRF的τ-B曲线，利用Matlab软件对曲线拟合，生成表示屈服应力τy的近似的数学函数式可表示为：

τy=43.44B4-178.12B3+183.74B2-3.02B

式中，τy为屈服应力(kPa)，磁感应强度T(Tesla)。

3 磁流变阻尼器参数对发射装置后坐特性的影响

3.1 磁流变阻尼器影响参数的选取

MR阻尼器所产生的阻尼力由黏滞阻尼力(与液体黏度有关)、库伦阻尼力(随磁场改变)、弹簧力(随位移改变)和摩擦力(随液体压力改变)组成。黏滞阻尼力由阻尼器结构参数和活塞运动速度决定；库伦阻尼力由结构参数和MR流体屈服应力决定，而MR流体屈服应力取决于通过阻尼器的磁感应强度。在本研究中，选择磁感应强度B和阻尼通道间隙h作为参考变量。结构参数值得选取如表1所示。

表1 影响结构参数选取值

3.2 发射装置仿真结果与分析

为了仿真真实的反应后坐过程，采用abaqus有限元软件，并嵌入Fortran程序实现二次开发，设置传感器准确实时的模拟后坐过程各参数值，对全炮模型进行有限元仿真分析。这里选择两个主要的参数值：磁感应强度B和阻尼通道间隙h。以炮口各振动特性参数为研究对象，得到不同参数值对发射装置后坐特性的影响。

图5～图8分别是发射装置在相同冲击载荷、不同的外加电流作用下(即不同的磁感应强度B作用下)的位移和速度曲线。由于不同外加电流作用下后坐时间不同，对炮口竖直方向振动位移速度图时间采取归一化处理。

图5 身管后坐位移-时间曲线

图7 炮口竖直方向位移-时间曲线

图8 炮口竖直方向速度-时间曲线

由图5～图8可以看出：

(1)在磁感应强度为0.0T、0.2T、0.3T、0.4T时，后坐位移分别为21.75 mm、17.40 mm、13.99 mm、11.74 mm，后坐速度分别为645.17 mm/s、630.41 mm/s、615.64 mm/s、600.95 mm/s，后坐时间分别为0.070 5 s、0.058 5 s、0.046 5 s、0.039 s，炮口竖直方向位移最大值分别为2.54E-4 mm、1.08E-4 mm、1.51E-4 mm、1.42E-4 mm，速度最大值分别为0.17 mm/s、0.16 mm/s、0.16 mm/s、0.15 mm/s。

(2)由后坐的位移-时间曲线和速度-时间曲线可知，随着电流的增加，位移-时间曲线在相同时间内后坐位移的增长幅度逐渐减小，且最大位移值相差明显；速度-时间曲线后坐速度峰值呈现减小趋势且相差不大，而速度下降阶段是随着电流的增大速度下降越快。

(3)由炮口振动的位移-时间曲线和速度-时间曲线可知，随着电流的增加，炮口振动位移和速度均相应增加，且在后期振动幅度更大。因此在后坐的整个动态过程范围内，可以实时控制输入电流，控制后坐位移长度和炮口振动。

图9～图12分别是发射装置在相同冲击载荷、相同外加电流作用下(即相同磁感应强度作用下)、不同阻尼通道间隙值的位移-时间曲线和和速度-时间曲线。由于不同阻尼通道间隙下后坐时间不同，对炮口竖直方向振动位移速度图时间采取归一化处理。

图9 身管后坐位移-时间曲线

图10 身管后坐速度-时间曲线

图11 炮口竖直方向位移-时间曲线

图12 炮口竖直方向速度-时间曲线

由图9～图12可以看出：

(1)在阻尼通道间隙为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm时，后坐位移分别为3.48 mm、6.94 mm、9.82 mm、12.20 mm，后坐速度分别为555.94 mm/s、599.03 mm/s、614.59 mm/s、624.18 mm/s，后坐时间分别为0.012 s、0.023 s、0.032 s、0.038 s，炮口竖直方向位移最大值分别为9.01E-5 mm、1.80E-4 mm、1.82E-4 mm、1.87E-4 mm，速度最大值分别为0.21 mm/s、0.24 mm/s、0.34 mm/s、0.38 mm/s。

(2)由后坐的位移-时间曲线和速度-时间曲线可知，随着阻尼通道间隙的增加，位移-时间曲线在相同时间内后坐位移的增长幅度逐渐增加，且最大位移值变化很大，速度-时间曲线峰值呈现逐渐增大的趋势且相差不大，而速度下降阶段随着阻尼通道间隙的增加减缓。

(3)由炮口振动的位移-时间曲线和速度-时间曲线可知，随着阻尼通道间隙值的增加，炮口振动位移和速度前期变化规律大致相同，呈增长趋势，而在后期振动幅度变化更大。因此在后坐的整个动态过程范围内，在保证结构刚度满足要求的前提下，尽量减小阻尼通道间隙。

4 结论

磁感应强度对发射装置后坐位移和炮口振动有显著影响，可以通过实时控制输入电流控制后坐位移长度和炮口振动，实现理想的运动规律；磁流变阻尼器的阻尼通道间隙对发射装置后坐位移和炮口振动也有较大的影响，在保证满足结构刚度要求的前提下，选取较小的阻尼通道间隙有利于减小后坐位移、后坐时间、减小炮口振动和提高射击精度。

本文仅考虑了磁感应强度和阻尼通道间隙对后坐位移和炮口振动的影响，后续的研究工作将对其他结构参数的影响进行分析，并对整个装置优化，以获得最佳性能要求。本文的研究对发射装置缓冲器的合理设计具有一定的参考价值。

[1] LEE DUG YOUNG.WERELEY N M.Quasi steady Herschel-Bulkley analysis of electro and magneto rheological flow mode dampers[J].Journal of Intelligent Material Systems & Struetures,2000,10(10):761-769.

[2] KO J M,NI Y Q.Modeling of a full-scale MR damper and its application in open-loop vibration control of stay cables[J].Smart Structure and Materials 2005:Damping and isolation.SPIE Vol.5765 (2005):690-700.

[3] 张莉洁.冲击载荷下磁流变阻尼器动态特性分析及其控制系统设计[D].南京:南京理工大学,2008.

[4] 侯保林.基于Herschel-Bulkley模型的火炮磁流变后坐阻尼器设计与分析[J].振动与冲击,2006,25(3):6-10.

[5] AHMADIAN M,NORRIS J A.Experimental analysis of magnetorheological dampers when subjected to impact and shock loading[J].Communication in Nonlinear Science and Numerical Simnlation,2008,13:1978-1985.

[6] 李良军.磁流变冲击阻尼器在火炮反后坐装置中的应用研究[D].南京:南京理工大学,2006.

[7] 胡红生,王炅，蒋学争，等.火炮磁流变后坐阻尼器的设计与可控性分析[J].振动与冲击,2010,29(2):184-188.

[8] 张俊飞.某火炮结构参数灵敏度分析与优化研究[D].南京:南京理工大学,2014.

[9] 李强.影响弹丸起始扰动的某火炮结构参数分析与优化研究[D].南京:南京理工大学,2015.

[10]贾长治.火炮冲击缓冲装置动态特性影响仿真分析与改进方法[J].机械工程学报,2012，48(19):156-162.

[11]高跃飞.火炮反后坐装置设计[M].北京:国防工业出版社,2010.

(责任编辑 周江川)

Impact of Magnetic Induction and Damping Channel Clearance on the Vibration of a Launching Device

ZHAO Zhi-fu1, GE Jian-li1, ZHANG Hong-hao2, YANG Guo-lai1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.Beijing Institute of Special Electromechanical Technology, Beijing 100012, China)

This paper mainly studied the influence of magnetic induction and damping channel clearance, which is used in the recoil device of a launcher working in a high speed and high impact environment. Finite element method and the secondary program development platform in ABAQUS were combined to establish the structural dynamic finite element model of the launcher. The launch process of the whole device was simulated by changing the structural parameters of MR dampers, and the vibration characteristics of the launcher were obtained. The simulation results show that the different value of the input current and the gap of different damping channel could influence the characteristics of the launcher, and attention should be paid to the design and application of MR damper on the launcher.

magnetorheological damper; high-speed impact; recoil system; vibration characteristics

2016-10-07；

2016-11-05

中央高校基本科研业务费专项资金项目(30915118825);国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ470765)

赵致富(1990—)，男，硕士研究生，主要从事非线性有限元仿真研究。

葛建立(1980—),男，博士，副教授，主要从事非线性有限元、虚拟样机以及等几何分析研究。

10.11809/scbgxb2017.02.011

赵致富,葛建立,张鸿浩,等.磁感应强度和阻尼通道间隙对某发射装置振动影响[J].兵器装备工程学报，2017(2):43-47.

format:ZHAO Zhi-fu, GE Jian-li, ZHANG Hong-hao, et al.Impact of Magnetic Induction and Damping Channel Clearance on the Vibration of a Launching Device[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):43-47.

TJ866

A

2096-2304(2017)02-0043-05