某火炮动态特性与射击频率的匹配性分析

李 猛

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所， 郑州 450015)

【装备理论与装备技术】

某火炮动态特性与射击频率的匹配性分析

李 猛

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所， 郑州 450015)

对火炮的俯仰部分进行模态分析，得到前10阶模态振型和固有频率，然后将炮身的后坐运动简化为简谐运动，对炮身部分进行谐响应分析，得到激励频率对炮口振动的影响规律。这样即可选择合适的射击频率，避开火炮俯仰部分固有频率，减小激励频率对炮口振动的影响。

火炮；动态特性；射击频率

火炮是一个复杂的振动系统，以有限元方法进行模态及其他动力学分析，需要对火炮模型进行合理简化。根据火炮结构特点，建立包含身管和摇架组成的俯仰部分模型进行模态分析，得到俯仰部分以及身管的的模态振型和固有频率；然后对身管部分进行谐响应分析。根据计算结果，分析射击频率与俯仰部分模态参数、身管模态参数的匹配性。

1 模型的建立

以原有俯仰部分三维结构为基础，在保证质量和转动惯量基本不变的前提下，对结构进行简化，建立适合有限元分析的三维模型。

对模型赋予材料属性，材料密度为：7.8e-9 t/mm3，弹性模量：210 kPa。对模型划分网格，炮身使用六面体网格，摇架关重部位采用六面体网格，非关重部位使用四面体网格。炮身模型如图1所示，A处为炮尾导槽，后坐过程中炮尾导槽在摇架导轨上滑动。俯仰部分模型如图2所示，A处为炮尾导槽和摇架导轨的接触部位，B处为摇架耳轴部位。进行俯仰部分模态分析时，在摇架的耳轴处(B处)施加边界约束，约束所有自由度，在A处将炮位和摇架固连到一起，考虑重力的作用。

图1 炮身部分模型

图2 俯仰部分模型

2 俯仰部分模态分析

在考虑重力作用的模型上进行静力学分析，得到重力载荷下模型的应力应变。以静力学分析得到结果为新模型，在新模型上对俯仰部分进行模态分析，获取前10阶模态振型和固有频率，1阶模态振型如图3所示。

图3 俯仰部分1阶振型

俯仰部分前10阶模态振型对应的固有频率如表1所示。

表1 俯仰部分前10阶模态振型的固有频率

3 身管部分谐响应分析

火炮射击时，炮身在火药力、复进机力、制退机力等力的作用下作往复运动，可以看作承受强迫位移的正弦波载荷，如图4所示。根据该火炮射击速度，在0～40 Hz频率区间对炮身进行谐响应分析，计算在该频率的载荷激励下炮口的位移响应，以此判断各频率值载荷对炮口位移的影响。

炮口平行于地面的横向位移如图5所示，垂直于地面的纵向位移如图6所示，两位移在固有频率坐标下的叠加情况如图7所示。

图4 火炮射击时炮身的多周正弦波位移

图5 炮口的横向位移

图6 炮口的纵向位移

图7 炮口位移的叠加

在图5中，峰值点应该是b点和f点，e点和g点是谷值点。在1.3 Hz(a点)至5.4 Hz(c点)区间的位移出现一个最大波峰(b点)、16.5 Hz(d点)至22 Hz(h点)区间位移出现一个波峰(f点)和两个波谷(e点和g点)；其中出现最大峰值的频率为4 Hz(b点)最小谷值的频率为19.0 Hz(e点)。

在图6中，4.2 Hz(a点)至5.2 Hz(c点)区间位移出现一个最大波峰(b点)、17.5 Hz(d点)至21 Hz(e点)区间位移出现两个波峰和一个波谷，但峰谷均不太明显。出现最大峰值的频率为4.5 Hz(b点)。

通过将横向、纵向的位移图放在同一频率坐标下叠加，其结果如图7。从图7可观测到合成后的横向、纵向位移。可见在1.3 Hz(a点)至5.4 Hz(c点)区间位移出现一个最大波峰(b点)、17.5 Hz(d点)至21 Hz(g点)位移出现两个波峰(e点和f点)。

4 结论

1) 根据俯仰部分模态分析结果，为避免共振，该火炮射击频率需避开表1所示各阶频率；

2) 根据炮身谐响应分析结果，在1.3～6.2 Hz、17.5～22H z的激励频率下，炮口位移出现波峰波谷，可能出现严重共振。

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(责任编辑周江川)

Matching Analysis of Dynamic Characteristics and Firing Frequency of Gun

LI Meng

(The 713rdResearch Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, China)

The modal analysis of the pitching part of the gun was carried out to obtain the first ten natural frequencies and mode shapes. The gun recoil motion was simplified as a simple harmonic motion. Through the harmonic response analysis of the barrel, the effect of excitation frequency on muzzle vibration was obtained. In order to avoid the natural frequency of pitching part and reduce the muzzle vibration generated by excitation, the appropriate firing frequency was obtained.

gun; dynamic characteristic; firing frequency

2016-08-03；

2016-09-15

李猛(1980—)，男，硕士，工程师，主要从事火炮研究。

10.11809/scbgxb2017.01.011

李猛.某火炮动态特性与射击频率的匹配性分析[J].兵器装备工程学报，2017(1):44-46.

format:LI Meng.Matching Analysis of Dynamic Characteristics and Firing Frequency of Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):44-46.

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