电涡流制退机用烧结钕铁硼去磁行为的实验研究与数值模拟

针对传统火炮上液压制退机存在的漏液、难以维修等问题,利用电磁阻尼机理的电涡流制退机应运而生。烧结钕铁硼作为其中关键的功能件,在火炮发射环境下的磁场保持问题备受关注。为探究此问题,设计了冲击去磁实验平台,测量了不同冲击速度下的冲击载荷与磁体产生的感应电动势,获得了磁体的磁通量变化曲线。结合实验数据特点,建立了烧结钕铁硼的冲击去磁理论模型,开发了冲击去磁过程的联合仿真模型方法,并通过与实验值对比的方法验证了冲击去磁理论模型的有效性。建立了火炮发射非线性动力学模型,结合建立的冲击去磁模型对火炮后坐运动中电涡流阻尼器的去磁效应进行了研究。结果表明,最右端烧结钕铁硼永磁体整体处于可逆去磁区域,仅在永磁体内圈产生不可逆去磁现象,去磁量为0.275 T。该去磁模型拓展了烧结钕铁硼的材料属性,电涡流制退机中去磁效应的仿真计算结果为烧结钕铁硼在电涡流制退机上的工程化应用提供了理论依据与参考。

某迫击炮牵引装置限位块仿真分析

迫击炮牵引装置在行驶过程中,轮胎受到路面冲击载荷作用,使得扭力轴扭转、挡块碰撞限位块,较大的反复冲击会使得限位块发生断裂。为了研究限位块断裂原因,建立了迫击炮牵引装置多体动力学模型,通过仿真计算得到路面行驶状态限位块受力规律,获得了限位块碰撞接触力峰值;建立了上、下限位块有限元模型并进行了冲击载荷下的瞬态动力学分析,得出限位块所受应力最大值以及最大值所在位置,即分析出限位块易断裂的部位。结果表明,上限位块焊缝处最大应力位于焊缝边缘处,下限位块最大应力位于U形弯转处,其值接近材料屈服强度,易发生疲劳断裂。基于此,进一步对限位块进行疲劳分析,结果表明,下限位块寿命远小于上限位块,易发生疲劳断裂。根据疲劳分析结果对限位块进行形状优化,大幅度提高了限位块寿命。

配流阀结构特征对微型高压柱塞泵流量输出特性的影响

为满足航空泵高功率密度化要求,微型高压柱塞泵采用阀配流方式能够有效减少泄漏,提高容积效率。针对影响微型高压柱塞泵流量输出特性的主要因素,建立阀配流微型高压柱塞泵数学模型,通过AMESim搭建不同结构的单向阀配流模型,将球阀、锥阀、平板阀等不同形式的单向阀芯进行不同组合结构的建模及仿真试验,对微泵的余隙容积、斜盘倾角、负载压力及单向阀的弹簧刚度、阀芯质量等影响因素进行仿真分析。结果表明:在现有结构下,吸液阀和排液阀均为平板阀时是最优配流阀组合形式;微泵在变转速工况下容积效率稳定,阀芯质量对配流阀迟滞性影响较小;增大斜盘倾角及减小负载压力和余隙容积能够有效改善配流阀开启滞后角,进而提高容积效率。

吸油压力对外啮合齿轮泵空化特性的影响

为了研究高海拔和高空作业环境对齿轮泵工作性能的影响,分析了吸油压力对外啮合齿轮泵空化特性的影响规律。采用数值模拟和可视化试验的方法,针对农业机械液压系统中常用的渐开线外啮合齿轮泵进行分析研究。分别在0. 05、0. 10、0. 15 MPa的吸油压力下,数值模拟该泵内部流场的气体体积分数分布;利用高速摄像设备,试验观测记录该泵内的实际流动状态、气泡大小、气泡数量及空化程度等。结果表明:在3种不同的吸油压力下,泵内的油液均会出现不同程度的空化现象,空化强度由大到小依次表现为漩涡流、雾化流、气泡;随着吸油压力的升高,泵内油液中出现的气泡数目逐渐减少、气泡体积逐渐减小,泵内油液的最大气体体积分数和空化程度逐渐减小,使得泵内油液的流动状态越来越平稳,进而改善了齿轮泵出口流量的连续性和稳定性。

高速机动条件下坦克行进间火炮非线性振动动力学研究

为研究高速机动条件下坦克行进间非线性振动情况,基于动态协同仿真方法,建立了坦克行进间机械、电气与液压联合仿真模型。分别在机电一体化仿真软件Amesim中建立液压子系统模型,在仿真软件MATLAB/Simulink中建立控制子系统模型,在多体系统动力学软件RecurDyn中建立考虑身管柔性等多个非线性因素的坦克机械系统模型。运用谐波叠加法分别编写了考虑左右履带不平度相干性的D级、F级三维路面不平度计算程序。动力学计算结果表明:身管柔性会造成炮口振动的振幅大于摇架处;当路面不平度较小且行驶速度较低时,炮口相对于摇架整体向下弯曲;随着路面不平度的增大和行驶速度的提高,车体及摇架稳定性急剧恶化,稳定器无法保证稳定精度,此时,身管柔性造成的炮口与摇架处高低角位移差异显著减小;身管柔性因素对于射击精度的影响难以通过简单的静态修正得以解决,还需综合考虑坦克的行驶工况。

某自动炮变射速和新型摩擦阻尼缓冲器参数对后坐力的影响研究

为了分析变射速和不同摩擦阻尼缓冲器参数条件下炮身所受的后坐力大小,以某小口径自动炮为研究对象,提出了1种新型摩擦阻尼缓冲器。建立了该炮的刚柔耦合动力学模型,通过仿真对比了4种不同射速和3种不同摩擦阻尼缓冲器参数时的炮身运动规律。仿真结果表明,合理匹配自动火炮的射速和摩擦阻尼缓冲器参数,能使小口径自动炮的后坐力得到显著降低。

火炮振动与控制的发展现状及应用前景

火炮是一个多场耦合复杂系统,其发射过程具有高瞬态和强冲击特征,火炮振动是影响射击精度的重要因素之一,是火炮领域的重要研究内容。近年来提出了火炮多体系统动力学、非线性动态有限元、多目标多学科优化及不确定性等火炮现代设计理论与方法,对炮身、架体、底盘等重要部件及各部件间连接关系组成的火炮系统进行建模、仿真及优化,从而达到减小炮口振动、提高射击稳定性和射击安全性的目的。笔者从火炮振动与系统优化、弹炮耦合、火炮不确定性分析与优化等方面对近年来取得的成果进行了总结和分类讨论,并提出了火炮振动领域存在的问题及火炮振动与控制的应用前景。

基于非层次型改进二级求解技术的大口径火炮多学科优化设计

以某大口径火炮为研究对象,研究该火炮弹-炮-药一体化设计中弹、炮、药参数的更优匹配关系。基于内弹道、外弹道及终点效应3个子学科的内部耦合关系,以弹丸最大初速、火药利用效率、射程及杀伤面积为优化目标,借助Isight集成优化平台,采用非层次型改进二级求解策略,建立了系统学科及某大口径火炮弹-炮-药一体化多学科优化模型。相比于传统的单目标优化方法,该模型充分发挥了各个子学科的自治能力,借助系统学科的统筹协调,避免了优化目标的过度劣化,实现了火炮综合性能的改善。

膛口制退器与缓冲器匹配对后坐力的影响

安装高效的膛口制退器是降低小口径自动炮后坐力的有效手段,以某小口径自动炮为研究对象,设计了4种膛口制退器,并重新设计了缓冲器,建立了小口径自动炮低后坐发射刚柔耦合动力学模型并进行了仿真,合理匹配了制退器与缓冲器二者的参数,使该武器的后坐力得到了明显的降低。如果制退器与缓冲器二者的参数匹配不好,则制退效率高的制退器的后坐力甚至可能会大于制退效率低的制退器的后坐力。研究结果表明,只有将高效的膛口制退器与缓冲器的参数合理匹配,才能使小口径自动炮的后坐力得到显著降低。

不同卸荷槽影响下外啮合齿轮泵空化特性

为改善外啮合齿轮泵在开式液压系统中空化严重的问题,对齿轮泵空化现象发生的过程及解决齿轮泵空化现象的措施进行了研究.通过分析泵内油液的流动状况得出了导致泵空化现象发生的原因;根据空化原因提出了运用矩形卸荷槽、渐开线型卸荷槽、异型卸荷槽降低齿轮泵空化现象的措施,并运用数值仿真进行了对比分析;最后分析了3种卸荷槽的卸荷作用下泵的困油现象及容积效率.结果表明:吸油腔内的高速旋流和吸空现象与齿轮泵空化现象的发生有很大关系;齿轮处于不同啮合状态时泵的空化强度和空化范围不同;增加卸荷槽是降低齿轮泵空化现象的有效措施,不同类型卸荷槽对空化现象的影响程度不同;3种卸荷槽的卸荷能力及其作用下泵容积效率有一定的差异.本研究为解决齿轮泵空化现象及卸荷槽外形的选择提供了一种新的参考.

基于火药燃气压力空间变化的火炮发射动力学研究

针对身管振动对弹丸内弹道时期运动形态的激励作用,建立以振动理论为基础的弹丸与身管相互耦合问题的有限元动力学模型。通过用户自定义子程序实现了模块装药下弹丸膛内运动与火药燃烧规律相互关联的动力学过程,并实现了火药燃气压力作用于身管内壁并随弹丸运动而变化的荷载条件,解决了以往燃气压力径向效应加载不准甚至无法加载的问题,得到了在相同射击条件下试验测试数据和仿真计算结果的对比曲线,以及不同数值模拟环境下身管动力学时程曲线。结果表明该非线性动力学模型更能反映火炮实际发射环境,可以较真实地再现身管结构动力学响应过程,为火炮设计以及故障分析提供了更接近实际的参考数据。

迫击炮座钣轻量化设计

针对某迫击炮座钣的轻量化问题,建立了座钣与土壤耦合的有限元模型,采用有限元法、结构优化设计和轻质复合材料铺层优化相结合的方法,进行了迫击炮座钣的轻量化设计。运用拓扑优化方法得到了迫击炮座钣的载荷传递路径,优化钣筋结构,获得了钛合金承力骨架。应用碳纤维增强树脂基复合材料对设计区域进行铺层并优化,确定了复合材料结构的板厚。对改进前后的迫击炮座钣结构进行有限元分析,刚强度对比结果显示,应用钛合金骨架和复合材料铺层的座钣最大应力小于原有结构,能够满足迫击炮座钣的性能要求,整体质量降低了19. 35%。

基于随动边界的火炮身管热力联合效应数值分析

为探索高温高压火药燃气瞬态冲击效应对身管刚度和强度响应的影响,采用有限元方法建立了某大口径火炮身管三维数值模型,并定义了热力载荷边界随弹丸运动而变化的动态过程。通过数值计算得到了首发弹射击条件下身管温度分布演变过程,进一步分析了热冲击载荷、压力载荷以及热力联合效应对身管动态应力响应的影响。计算结果表明:轴向不同位置热冲击载荷的差异性引起轴向非均匀温度分布,使得出现较大的轴向温度梯度,带来显著的轴向温差应力;在温度响应剧烈区域,周向表现为压应力的温差应力与周向表现为拉应力的载荷应力相互叠加,使得内壁质点周向应力分量表现为拉应力与压应力的交替作用,与压力激励作用结果相比,内壁高应力区应力幅值得到一定减弱并随温度响应呈现先下降、后上升的趋势。

强冲击载荷作用下Halbach阵列电涡流阻尼器动力学特性仿真分析

针对传统液压式火炮制退机存在制退液失效和泄漏的问题,通过仿真分析直线型Halbach阵列的磁场分布特性,提出了一种基于Halbach永磁阵列的电涡流阻尼器结构。通过引入火炮后坐运动方程,建立了电涡流阻尼器涡流阻尼力数学分析模型。利用Comsol软件建立了电涡流阻尼器动力学有限元仿真模型,计算出火炮后坐运动过程中的后坐速度、后坐阻力和后坐位移,分析了电涡流阻尼器关键尺寸参数和同轴偏心误差对阻尼特性的影响。仿真结果表明:在炮膛合力和复进机力共同的载荷激励作用下,该电涡流阻尼器可以满足火炮后坐运动特性。

基于异常压力场的火炮身管断裂失效再现数值模拟

针对某坦克炮实弹射击出现身管断裂失效的情况,采用问题再现、原因分析、计算分析和效果验证等研究方法,利用LS-DYNA程序流固耦合算法,以等量TNT爆轰产生的高压气体流场近似代替实际火药气体作用,采用基于显式积分的拉格朗日-欧拉耦合算法解决流体与固体的耦合,建立了高压气体与身管之间相互作用的数值模拟,解决了流体形变引起的计算困难问题。引入Johnson-Cook塑性模型以及断裂失效模型描述身管材料动力学响应,在预置初始裂纹的情况下对身管在异常内压下的动力学响应进行了数值计算及分析。数值模拟结果较好地描述了身管材料在异常压力作用下的断裂失效机理,再现了身管发生撕裂损伤破坏的过程,为火炮使用安全性以及故障分析提供了参考。

复合材料身管的动态冲击响应分析

为探究复合材料身管在火药高压动态冲击下的动力学响应,采用有限元方法对纤维增强金属内衬复合结构的损伤过程进行分析,并引入Cohesive黏结单元表征界面黏结条件。在此基础上,进一步建立了考虑界面黏结特性的复合结构身管动态冲击有限元模型。利用VDLOAD子程序实现了对身管的动态加载,分析了缠绕预应力和脱黏对复合身管应力-应变传递规律的影响,并与实验数据进行了对比分析。结果表明:界面脱黏会破坏结构整体性,影响应力-应变传递规律,大幅降低身管的承载能力,一定的缠绕预应力可以增强复合身管结构的整体性,从而提高其承载能力,而过大的预应力会加快其整体发生损伤。

基于HyperWorks的某迫击炮座钣结构优化

为了在保证可靠刚度和强度的基础上减轻某迫击炮座钣的质量,对其进行结构优化和轻量化设计。通过Hyper Works有限元软件对迫击炮座钣安装在土壤工况下的刚度和强度进行仿真计算,采用寻找主要受力路径并修改应力集中区域结构的方法,对座钣进行了结构拓扑优化,改进了座钣结构。在此基础上,对座钣的主钣和驻臼进行了尺寸优化,对优化前后的座钣强度、位移和质量进行了对比,结果表明,优化后的座钣不仅减轻了质量,还提高了强度。

某迫击炮座钣的试验与轻量化设计研究

针对迫击炮座钣减小质量、提高综合性能的设计要求。建立了考虑座钣-土壤耦合作用的某迫击炮座钣有限元模型,计算并分析了该座钣的刚强度及受力分布规律;设计冲击载荷作用下座钣冲击试验对建立的有限元模型进行验证;在此基础上,以减小座钣质量为优化目标,对座钣主要部件厚度进行尺寸优化。优化结果表明,座钣质量相较于优化前减小了10.53%,优化效果明显,且能够满足强度设计要求,提高了座钣的综合性能,研究为迫击炮座钣的轻量化设计提供了参考。

强冲击载荷下电磁缓冲器有限元仿真模型

为获得强冲击载荷下电磁缓冲器的电磁与阻尼特性,针对其速度高、加速度大的运动特点,提出了一种改进的指数去磁模型来模拟钕铁硼永磁材料的去磁过程,同时采用一种改进的矢量磁滞模型来考虑软磁材料的磁滞效应。在此基础上,建立考虑去磁效应与磁滞效应的初级-次级涡流耦合时步有限元模型。采用冲击载荷模拟实验,验证了有限元模型的准确性;结合磁场测试得到并分析了冲击电磁缓冲过程的电磁与阻尼规律;通过开展强冲击载荷实验得到了电磁缓冲器高速运动条件下的阻尼规律。研究结果表明:数值分析方法具有高可靠性;去磁效应随缓冲速度增大而增强;阻尼系数随着缓冲速度的增大而减小;磁滞作用能扰乱磁场分布,影响阻尼力变化规律。

基于随机规划的火炮膛内发射性能不确定性优化

为了研究大口径火炮膛内发射性能的不确定性优化问题,编制了内弹道程序并嵌入ABAQUS有限元软件进行二次开发,构建了膛内发射动力学模型。综合考虑火炮内膛结构参数、弹丸结构参数与发射装药参数等不确定性因素,通过分布参数模拟其随机特性,利用BP神经网络建立了膛内发射动力学模型的代理模型。基于蒙特卡洛模拟得到不确定约束函数的概率分布,以内弹道性能指标构建概率约束函数,以起始扰动的均值与标准差构建不确定目标函数,建立膛内发射性能的随机不确定性优化模型。运用多目标遗传算法进行优化求解,获得了该问题的最优解与不确定参数的合理区间,证明了该方法的有效性。