快门式水下阻水装置模态分析

罗加胜 唐彪云 谭庆 李俊

摘要：快门式阻水装置是安装在水下武器身管前端，用于将海水阻绝在身管外部的核心装置。在工作中，阻水装置除了要受到武器发射时的冲击振动外，还受海波的冲刷，存在着发生共振影响武器发射精度的问题，为此，建立了阻水装置的有限元仿真模型并对其进行了模态分析。仿真结果表明，阻水装置的固有频率不在海浪频率和武器发射振动频率的区间内，在身管前端增加阻水装置不会对武器系统发射精度造成坏的影响。

关键词：快门机构;固有频率;模态

引言

模态分析是一种用于研究结构的动力学特性的常用方法。模态是指仅与机械结构和边界条件相关的固有震动特性。每一个模态都存在一个与之一一对应的特定的固有频率、阻尼比以及模态振型。

根据模态的叠加原理，在已知晓零部件的各种载荷时间历程的情况下，使用有效的有限元仿真软件可以预测零部件的固有频率。[1-15]

快门式阻水装置安装在用于反蛙人的水下身管武器前端，用于将海水阻绝在身管外部，防止海水涌入身管内对投射部姿态造成扰动。增加了阻水装置后，发射系统的结构、几何中心以及质心均产生了改变，这势必会引起系统固有频率的改变，当系统固有频率的值与激励频率相当时，会引起系统的共振，严重影响系统的发射稳定性、精度、安全，严重时会给操作者和武器系统的安全带来极大威胁。为此，本文建立了阻水装置的有限元分析模型，对其进行了模态分析。

1 结构组成

阻水装置通过略大于身管内径的密封管螺纹拧紧固定在身管口部，阻水装置的原理图如图1 所示。阻水装置由球形阀、阻水筒、步进电机1、步进电机2、水泵1、水泵2、快门式隔水阀等构成。

阻水筒由两截圆筒和三片隔板焊接而成，蓄水腔2 由内筒和外筒合围而成。蓄水腔1 由内筒、外筒、球形阀和隔水阀合围而成。侧向小孔用于联通内筒和外筒。阻水筒和身管之间通过使用螺纹固定连接在一起。

2 模态分析理论[16]

海浪频率在0.01HZ～1HZ 之间，本课题的发射装置固有频率在21HZ～26HZ 之间。

一般来说，零部件的高频振动模态对结构的运动特性产生的影响很小，在分析时，一般侧重考慮低阶模态。

根据机械振动理论，对于自由度为N 的一个系统，其运动方程可以用式（1）的常系数微分方程对加以叙述：

3 模态仿真与分析

把使用solidworks 三维建模软件建立的阻水装置装配体导入有限元分析软件，使用四面体对各零件画网格，所有零件均赋304 不锈钢材料，密度取为7930kg/m3;弹性模量取为200GPa。假设身管尾端固定，前端与阻水筒的螺纹连接简化为固定连接。

通过提取结果云图发现，一阶、二阶模态，阻水装置前端变形较为明显，三阶模态，步进电机处位移变形较为明显。

计算得到的阻水装置的各阶固有频率如表1 所示，一阶固有频率的值为8.0Hz，与海浪频率和武器发射时受迫振动频率不在一个区间内。

4 结束语

本文对增加了阻水装置的水下发射系统进行了1 至6 阶模态仿真分析，结果表示，系统的固有频率避开了海浪频率和武器系统发射振动频率，在使用中，不会发生共振，影响武器系统发射精度，威胁乘员和装备安全。

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1.（湖南国防工业职业技术学院 武器装备技术学院，湖南 湘潭 411207） 2.（海军蚌埠士官学校  安徽 蚌埠 233000）

3.（湖南国防工业职业技术学院 武器装备技术学院，湖南 湘潭 411207）4.（长安工业有限集团公司 重庆市400000）