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车载炮动态非线性有限元仿真研究

作　者: 葛建立
导　师: 陈运生
学　校: 南京理工大学
专　业: 火炮、自动武器与弹药工程
关键词: 车载炮动力学仿真非线性有限元弹炮耦合接触/碰撞弹塑性
分类号: TJ301
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 434次
引　用: 9次
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内容摘要

本文应用非线性有限元理论研究车载榴弹炮发射过程中的接触/碰撞问题以及全炮非线性动力学问题,为该类武器的总体设计和结构设计提供理论依据和决策参考。探讨了大型复杂结构高精度有限元网格划分技术和车载炮模块化、参数化的有限元建模方法,将车载炮分为后坐部分、摇架部分等4个组成模块,每个模块采用Morphing网格变形技术进行参数化建模,便于修改局部结构参数,提高了建模效率。应用有限元法研究了车载炮摇架、上架和辅梁的刚强度问题,找出了结构中的薄弱环节并加以改进,修改后的方案满足设计要求。采用分段扫描映射的六面体网格划分方法建立了变截面膛线身管-弹丸耦合系统的接触/碰撞有限元模型,弹带材料采用双线性材料模型,考虑弹带的弹塑性变形。研究了膛线与弹丸的耦合作用对炮口扰动和弹丸膛内运动姿态的影响,分析了身管在自重作用下的弯曲变形对炮口扰动和弹丸起始扰动的影响。建立了驻锄、座盘与地面的接触有限元模型,土壤采用Drucker-Prager模型:应用平衡主控-从属搜索算法建立了身管与筒型摇架在不同配合间隙下的接触/碰撞有限元模型,通过分析找到一个较好的配合间隙;建立了高低机主齿轮与摇架齿弧的接触/碰撞有限元模型和回转支承上、下座圈之间的接触有限元模型。综合上述接触/碰撞模型获得了全炮非线性有限元模型,在对非线性有限元动力学数值求解方法进行分析讨论的基础上,利用并行计算的方法进行了数值仿真,研究了不同的土壤特性和回转支承的处理方式对车载炮发射过程中炮口扰动及弹丸膛内运动姿态的影响,数值仿真结果与实测数据的比较分析表明两者一致性较好。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-7
目录  7-10
1 绪论  10-21
  1.1 选题的背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究发展与现状  11-19
    1.2.1 火炮发射动力学  11-13
    1.2.2 有限元法  13-15
    1.2.3 接触/碰撞问题的有限元法  15-17
    1.2.4 车载炮  17-19
  1.3 本文的主要工作  19-21
2 车载炮有限元建模方法研究  21-36
  2.1 引言  21
  2.2 车载炮的三维实体模型  21-22
  2.3 大型复杂模型有限元网格的划分  22-31
    2.3.1 物理模型和单元形状的选择  22-23
    2.3.2 网格数量的选择  23
    2.3.3 网格的疏密分布  23-24
    2.3.4 单元阶次的选择  24-25
    2.3.5 网格的质量  25-28
    2.3.6 不同类型单元之间的过渡  28-31
  2.4 车载炮有限元模型的建立  31-34
    2.4.1 网格划分工具  31
    2.4.2 有限元建模的模块化方法研究  31-32
    2.4.3 有限元建模的变形(Morphing)方法研究  32-33
    2.4.4 不同格式模型之间的转换  33-34
    2.4.5 车载炮的有限元模型  34
  2.5 本章小结  34-36
3 非线性有限元动力学分析方法  36-47
  3.1 引言  36
  3.2 动力学问题的有限元方程  36-39
  3.3 非线性有限元动力分析的数值方法  39-46
    3.3.1 引言  39
    3.3.2 显式方法  39-41
    3.3.3 隐式方法  41-45
    3.3.4 解的稳定性和精度  45-46
  3.4 本章小结  46-47
4 车载炮关重件刚强度有限元分析  47-58
  4.1 概述  47-48
  4.2 车载炮摇架和上架的刚强度分析  48-52
    4.2.1 摇架和上架的结构分析  48-49
    4.2.2 摇架和上架的有限元模型  49-51
    4.2.3 仿真结果分析  51-52
  4.3 车载炮主辅梁的刚强度分析  52-56
    4.3.1 车载炮主辅梁结构分析及有限元建模  53-54
    4.3.2 仿真结果分析  54-55
    4.3.3 主辅梁连接方式对仿真结果的影响  55-56
  4.4 考虑几何非线性因素的静态刚强度分析  56
  4.5 本章小结  56-58
5 弹丸-身管耦合系统的弹塑性接触/碰撞动力学模型  58-91
  5.1 概述  58
  5.2 起始扰动的形成过程及影响因素  58-59
    5.2.1 约束期  58-59
    5.2.2 半约束期  59
    5.2.3 后效期  59
  5.3 弹塑性接触/碰撞问题的有限元法  59-74
    5.3.1 接触界面条件  59-61
    5.3.2 摩擦模型  61-63
    5.3.3 塑性力学的基本理论  63-65
    5.3.4 弹塑性增量的应力应变关系  65-67
    5.3.5 接触/碰撞问题的弱形式  67-69
    5.3.6 接触/碰撞问题的半离散有限元方程  69-71
    5.3.7 接触搜寻算法  71-74
  5.4 弹丸-身管耦合系统的弹塑性接触/碰撞有限元分析  74-86
    5.4.1 膛线身管-弹丸的接触/碰撞有限元模型  74-78
    5.4.2 炮身的固有频率和振型  78-80
    5.4.3 弹丸膛内运动的力学模型  80-83
    5.4.4 动力学响应及结果分析  83-86
  5.5 身管自重引起的弯曲变形对炮口扰动的影响  86-90
    5.5.1 具有一定挠度的膛线身管-弹丸耦合模型的建立  87-89
    5.5.2 动力学仿真结果对比分析  89-90
  5.6 本章小结  90-91
6 冲击载荷作用下车载炮动态非线性有限元模型  91-111
  6.1 概述  91
  6.2 身管与筒型摇架的接触/碰撞模型  91-94
    6.2.1 身管与摇架的接触/碰撞有限元模型  91-92
    6.2.2 身管圆柱部与摇架衬套的配合间隙对炮口扰动的影响  92-94
  6.3 高低机齿轮齿弧的接触/碰撞模型  94-95
    6.3.1 高低机传动装置  94-95
    6.3.2 齿轮齿弧接触/碰撞模型  95
  6.4 回转支承上下座圈的接触/碰撞模型  95-96
  6.5 土壤与支腿的接触/碰撞模型  96-97
  6.6 全炮非线性动力学仿真分析  97-102
    6.6.1 全炮力元分析  97
    6.6.2 全炮非线性动力学有限元模型  97-98
    6.6.3 仿真结果分析  98-102
  6.7 考虑弹炮耦合因素的全炮非线性有限元动力学分析  102-108
    6.7.1 非线性动力学仿真结果  102-105
    6.7.2 不同非线性因素对仿真结果的影响  105-108
  6.8 测试结果与仿真结果对比分析  108-109
  6.9 本章小结  109-111
7 全文工作总结  111-114
  7.1 本文的主要研究成果  111-112
  7.2 应用前景  112
  7.3 展望  112-114
致谢  114-115
参考文献  115-123
攻读博士期间发表的论文  123

车载炮动态非线性有限元仿真研究

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