庄震宇,王德鑫,宋军,焦志文,姜年朝

(南京模拟技术研究所,江苏 南京 210016)

一种声光弹发射器结构优化分析

庄震宇,王德鑫,宋军,焦志文,姜年朝

(南京模拟技术研究所,江苏 南京 210016)

建立了某声光弹发射器结构的有限元模型,根据声光弹在发射器内爆炸时产生的压力,基于ANSYS软件进行有限元分析,校核了该声光弹发射器结构的强度和刚度,并对该声光弹发射器结构的减震弹性支架进行优化分析,获得最佳的支架钢板厚度参数.

声光弹发射器;有限元;优化

在现代军事演习和军事训练中,通常用声光弹爆炸时的光强和声强用来模拟坦克炮、无后坐力炮等重火器发射时的声光效果,从而达到实战化训练的目的.而作为安装和发射声光弹的发射装置,则要承担声光弹发射和爆炸时的瞬间冲击力,因此发射器的强度和刚度是设计需要重点考虑的因素之一.典型的声光弹发射器由声光弹筒、减震弹性支架等组成,如图1所示.

针对某声光弹发射器结构对强度和刚度的要求,建立了该发射器结构以及声光弹筒、减震弹性支架与连接底板等零部件的有限元模型,并用ANSYS软件进行分析,得到这些结构在声光弹爆炸时产生的压力作用下的Mises应力和变形.减震弹性支架承受声光弹筒在声光弹发射瞬间的冲击载荷,使整体结构具有足够的强度,减震弹性支架厚度的设计在该系统中具有重要意义.本文以减震弹性支架厚度为优化参数,在ANSYS软件中计算了不同厚度对发射器强度和刚度的影响,获得了较优的减震弹性支架厚度数据,为该发射器结构设计提供依据.

1 有限元分析

表1列出了发射器的声光弹筒铸件、减震弹性支架的材料参数.初始分析时支架弹簧钢板的厚度为2.5mm.

声光弹在该发射器的声光

弹筒内爆炸时,受力点分别如图2所示,计算时考虑5组声光弹爆炸点的情况,以声光弹筒圆心到减震弹性支架的中心位移作为受力距离,具体位置参数如表2所示,其余的声光弹筒爆炸点的位置与前5组声光弹爆炸点的程对称分布,具体情况如图2所示.

图 1 发射器结构示意图

表1 发射器组成结构材料参数(A)铸件ZL101室温力学性能参数

(B)弹簧钢60Si2Mn室温力学性能参数

声光弹在筒内爆炸,对铸件的底部产生的冲击压力如图3所示.

图2 某声光弹位置示意图

表2 声光弹点火位置

图3 爆炸时的脉冲载荷

图4 声光弹发射器有限元网格

在ANSYS中,简化模型,结构中无铰链,采用绑定约束,固连铸件及减震弹性支架.在减震弹性支架与平板接触的位置,限制所有自由度.在表 2列出的5种声光弹点火位置分别施加最大的3500N均布压力,代表声光弹爆炸时的冲击力.采用solid45单元划分网格,该声光弹发射器结构的有限元模型如图4所示.图5为声光弹点火位置为d5位置时的减震弹性支架的变形和应力.

图5 声 光弹发射器有限元计算结果

2 减震弹性支架的优化

从静力分析结果可知,减震弹性支架厚度为2.5mm的条件下,减震弹性支架与铸件的连接结构的安全系数较小,仅有1.02,结构处于不安全状态,因此,需对结构进行优化.因减震弹性支架承受发射器在声光弹发射瞬间的冲击载荷,整体结构应具有足够的强度,减震弹性支架厚度的设计在该声光弹发射器结构设计中具有重要意义.以静力分析的模型为优化分析的基本模型,在引起应力最大的发射筒内(声光弹爆炸点位置的距离为d5)施加载荷3500N,分别计算了厚度为2mm、2.5mm、3mm和4mm时减震弹性支架与铸件的连接结构的应力和变形,结果如表4所示.

表3 静强度校核

表4 减震弹性支架与铸件的连接结构优化结果

3 结语

(1)计算了减震弹性支架2.5mm厚度的声光弹发射器在5种状态时的最大应力,减震弹性支架与铸件的连接结构是该声光弹发射器的薄弱部件,此处安全系数最小只有1.02,应该对该部件进行优化.

(2)以减震弹性支架厚度为优化参数,在ANSYS软件中计算了不同厚度对发射器强度和刚度的影响,获得了较优化的厚度数据,如表4所示,为该发射器结构设计提供依据,最终设计的发射器减震弹性支架厚度取3mm.

[1]《航空材料手册》编辑委员会. 航空材料手册[M].中国标准出版社,2002.

[2]《中国航空材料手册》编委会.中国航空材料手册(第3卷)[M].北京:中国标准出版社,2001.

TN643;O613.71

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1671-0711(2017)11(上)-0054-03