CN112069706B - 一种坦克炮塔座圈摩擦学和动力学耦合分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种坦克炮塔座圈摩擦学和动力学耦合分析方法，包括以下步骤：步骤一：构建坦克炮塔座圈含间隙接触有限元分析模型；步骤二：构建坦克武器***虚拟样机仿真模型；步骤三：构建坦克炮塔座圈润滑性能分析模型。本发明提供的方法可为坦克炮塔座圈动力学行为和润滑性能的准确获取、润滑状态的合理判断和润滑失效的有效预测提供重要参考。

Description

一种坦克炮塔座圈摩擦学和动力学耦合分析方法
技术领域
本发明属于坦克武器***技术领域，具体涉及一种坦克炮塔座圈动力学与摩擦学耦合分析方法。
背景技术
炮塔座圈作为影响坦克打击能力和射击精度的关键部件，其在炮塔转动和发射过程中载荷传递方面承担着重要作用。以往研究通常侧重于炮塔座圈动力学特性方面的研究，对其润滑性能的研究相对较少。在作战环境下炮塔座圈常处于重载、冲击载荷和高温等苛刻工况下，这对炮塔座圈的动力学行为及润滑性能带来了极大挑战，其性能的好坏将直接影响到炮塔座圈乃至整个坦克武器***的服役性能和可靠性。因此很有必要研究一种耦合摩擦学与动力学以分析炮塔座圈工作性能的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种坦克炮塔座圈摩擦学和动力学耦合分析方法，解决了现有技术中存在的坦克炮塔座圈动力学行为和摩擦学特性耦合作用机制不明确的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种坦克炮塔座圈摩擦学和动力学耦合分析方法，包括以下步骤：
步骤一：构建坦克炮塔座圈含间隙接触有限元分析模型；
步骤二：构建坦克武器***虚拟样机仿真模型；
步骤三：构建坦克炮塔座圈润滑性能分析模型。
通过所述步骤一至步骤三得到的坦克炮塔座圈不同方位角处接触载荷、油膜压力和油膜厚度分布可为炮塔座圈滚珠受力状况和接触微区润滑状况的合理判断提供参考。
进一步的，将含初始间隙的坦克炮塔座圈几何模型导入有限元分析模块中，在定义接触体单元属性、单元材料常数的基础上，首先从(0.01～10)之间选取合适数值作为比例因子，即为预估的缺省接触刚度系数，划分网格、定义接触对、定义边界条件、施加载荷，然后应用扩张的拉格朗日算法，在迭代中进行修正，最终求解坦克炮塔座圈接触特性参数。
进一步的，步骤二中，采用三维建模模块建立坦克武器***模型，根据在发射过程中某型坦克武器***各部件运动和连接关系，对各部件施加约束副；
将建立的坦克武器***实体模型导入动力学仿真模块中，赋予坦克武器***各部件材料属性，根据各部件的拓扑关系利用运动副、力元、接触碰撞等动力学约束方程完成各子***及坦克武器***动力学模型的装配连接，从而建立坦克武器***虚拟样机模型；
对坦克武器***虚拟样机模型施加发射载荷可得到坦克炮塔座圈不同方位角处滚珠接触载荷分布；
采用线接触弹流分析方法近似分析坦克滚珠座圈中的点接触弹流问题。
进一步的，步骤三中，所采用的坦克炮塔座圈润滑性能计算方程为：
式中h为膜厚；U为平均速度；x为润滑脂流动方向；n为流变指数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种坦克炮塔座圈摩擦学与动力学耦合分析方法，该方法可为炮塔座圈动力学行为和润滑性能的准确获取、润滑状态的合理判断和润滑失效的有效预测提供重要参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的坦克炮塔座圈摩擦学和动力学耦合分析方法流程示意图；
图2是本发明的坦克武器***拓扑关系示意图；
图3是本发明的坦克炮塔座圈接触载荷分布示意图；
图4是本发明的坦克炮塔座圈油膜压力和膜厚分布示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1-图4所示：本实施例提供了一种坦克炮塔座圈摩擦学和动力学耦合分析方法，包括以下步骤：
步骤一：构建坦克炮塔座圈含间隙接触有限元分析模型；
步骤二：构建坦克武器***虚拟样机仿真模型；
步骤三：构建坦克炮塔座圈润滑性能分析模型。
本实施例通过上述方法计算得到的坦克炮塔座圈不同方位角处接触载荷、油膜压力和油膜厚度分布可为炮塔座圈滚珠受力状况和接触微区润滑状况的合理判断提供参考。
本实施例的步骤一中，将含初始间隙的坦克炮塔座圈几何模型导入有限元分析模块中，上座圈与滚珠之间施加Frictional接触，定义滚珠表面与上座圈内表面为一个接触对，其中滚珠表面为接触面，上座圈内表面为目标面，设置合理的接触刚度系数比例因子。下座圈固定，滚珠与下座圈初始无间隙接触。在上座圈顶面施加初始垂向速度，运用扩张的拉格朗日算法求解坦克炮塔座圈滚珠间隙。
在动力学仿真模块中，contact接触碰撞力采用Du-bosky弹簧-阻尼接触铰理论，法向接触力FN为：
式中K为碰撞体的接触刚度；n为力指数；δ、分别为两物体接触时的相对位移和相对速度；C为碰撞过程中的阻尼。
C的表达式为：
式中δmax为最大渗透量；Cmax为阻尼系数最大值。
当δmax＝0.01mm时，C＝Cmax，即：
炮塔座圈中各个接触位置均存在润滑脂，故须同时考虑接触变形刚度和油膜刚度的影响。动力学仿真模块中的接触刚度由接触变形刚度和油膜刚度串联得到。等温且润滑脂充足条件下，滚动体与上座圈之间无量纲最小油膜厚度为：
Hmin＝3.63U0.68G0.49W1 -0.073(1-e-0.68k) (4)
式中U为无量纲速度参数；G为无量纲材料参数；W1为负荷参数；k为椭圆率。
滚动体与上座圈之间的最小油膜厚度为：
hmin＝RxHmin＝3.63U0.68G0.49W1 -0.073(1-e-0.68k)Rx (5)
式中Rx为滚动体在x方向上的当量曲率半径。
根据刚度的定义可得油膜刚度为：
KE＝6.4066×108hmin -14.6986U9.361507G6.7123E'Rx 15.6986(1-e-0.68k)13.6986 (6)
式中E'为等效弹性模量。
炮塔座圈接触刚度为：
将炮塔座圈滚珠间隙有限元求解结果的最小值带入式(1)，可得炮塔座圈接触变形刚度(Ki)。根据公式(4)～(6)可得炮塔座圈油膜刚度(KE)，将通过上述计算得到的炮塔座圈接触变形刚度和油膜刚度带入公式(7)中可得炮塔座圈接触刚度(K)。
本实施例的步骤二中，采用三维建模模块建立坦克武器***模型,根据在发射过程中某型坦克武器***各部件运动和连接关系，对各部件施加约束副。依据图2对身管和炮尾施加固定副，其作为整个仿真过程中的后坐部分。身管沿摇架的方向前后运动故施加滑移副，同时炮尾和摇架有碰撞故添加接触约束。将滚珠和下座圈固定在一起，滚珠和上座圈之间添加接触约束，上座圈和炮塔、下座圈和地面分别施加固定副。
将建立的坦克武器***实体模型导入动力学仿真模块中，赋予坦克武器***各部件材料属性，根据各部件的拓扑关系利用运动副、力元、接触碰撞等动力学约束方程完成各子***及坦克武器***动力学模型的装配连接，从而建立坦克武器***虚拟样机模型。
发射载荷通过坦克的发射载荷数据利用动力学仿真模块中提供的Spling函数拟合成样条，以力的形式作用到坦克武器***上，图3为坦克炮塔座圈不同方位角处滚珠接触载荷分布示意图。
本实施例的步骤三中，采用线接触弹流分析方法近似分析坦克滚珠座圈中的点接触弹流问题。一般来说坦克滚珠座圈弹流分析对应于点接触问题，但点接触在重载工况下实际成为椭圆接触。因为球轴承的凹形滚道和球状滚珠的吻合度较高，所以球轴承的椭圆率偏大。并且特定结构的轴承的椭圆率是恒定的。而线接触弹流分析方法对椭圆率8～10之间的长椭圆接触，典型的如球轴承中的点接触同样有效。因此当炮塔座圈椭圆率处于8～10时采用线接触弹流分析方法近似分析坦克滚珠座圈中的点接触问题是合理的。
本实施例的步骤三中，所采用的润滑性能计算方程为：
式中h为膜厚；U为平均速度；x为润滑脂流动方向；n为流变指数。
图4为炮塔座圈受力最大滚珠接触微区油膜压力和膜厚分布示意图。
本说明书中应用了具体例子对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于理解本发明的方法及核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对本发明的技术方案进行修改或同等替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种坦克炮塔座圈摩擦学和动力学耦合分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建坦克炮塔座圈含间隙接触有限元分析模型；
步骤二：构建坦克武器***虚拟样机仿真模型；
步骤三：构建坦克炮塔座圈润滑性能分析模型；
通过所述步骤一至步骤三得到的坦克炮塔座圈不同方位角处接触载荷、油膜压力和油膜厚度分布可为炮塔座圈滚珠受力状况和接触微区润滑状况的合理判断提供参考；
所述步骤一中，将含初始间隙的坦克炮塔座圈几何模型导入有限元分析模块中，在定义接触体单元属性、单元材料常数的基础上，首先从(0.01～10)之间选取合适数值作为比例因子，即为预估的缺省接触刚度系数，划分网格、定义接触对、定义边界条件、施加载荷，然后应用扩张的拉格朗日算法，在迭代中进行修正，最终求解坦克炮塔座圈接触特性参数；
所述步骤二中，采用三维建模模块建立坦克武器***模型，根据在发射过程中某型坦克武器***各部件运动和连接关系，对各部件施加约束副；
将建立的坦克武器***实体模型导入动力学仿真模块中，赋予坦克武器***各部件材料属性，根据各部件的拓扑关系利用运动副、力元、接触碰撞等动力学约束方程完成各子***及坦克武器***动力学模型的装配连接，建立坦克武器***虚拟样机模型；
对坦克武器***虚拟样机模型施加发射载荷得到坦克炮塔座圈不同方位角处滚珠接触载荷分布；
采用线接触弹流分析方法近似分析坦克滚珠座圈中的点接触弹流问题；
所述步骤三中，所采用的坦克炮塔座圈润滑性能计算方程为：
式中h为膜厚；U为平均速度；x为润滑脂流动方向；n为流变指数。
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基于刚柔耦合的坦克炮发射动力学仿真分析;徐达;胡俊彪;穆歌;;装甲兵工程学院学报(04);全文 *

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