沖擊載荷作用下移動梁沿支撐結(jié)構(gòu)大位移運(yùn)動的時變力學(xué)研究.pdf

1、高初速、高精度、高機(jī)動性是火炮武器的重要發(fā)展方向，從而對火炮的剛度、強(qiáng)度、速度和精度提出了更高的要求，傳統(tǒng)的時不變力學(xué)理論難以適應(yīng)這種發(fā)展需求，有必要考慮火炮發(fā)射過程中時變參數(shù)的影響，本文以此為研究背景，結(jié)合國防“973”課題“XXX時變力學(xué)研究”，利用有限元法和動力剛度矩陣法，對沖擊載荷作用下炮身大位移后坐運(yùn)動過程中的時變力學(xué)問題進(jìn)行研究，主要工作包括以下幾個部分:
　　(1)利用Euler-Benoulli梁理論和有限元方法建

2、立了移動力、移動質(zhì)量和移動彈簧-質(zhì)量沿梁運(yùn)動的時變力學(xué)模型，通過數(shù)值計算總結(jié)了移動載荷的質(zhì)量、速度、加速度以及邊界條件對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。設(shè)計加工了移動質(zhì)量沿懸臂梁運(yùn)動的時變力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)測試獲得了懸臂梁應(yīng)變、撓度等隨時間變化的規(guī)律，與理論計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了所建模型的正確性。
　　(2)根據(jù)Euler-Benoulli梁的控制方程，推導(dǎo)動力剛度矩陣梁單元的精確形函數(shù)，將移動質(zhì)量的慣性力作為梁的附加動力剛度

3、矩陣處理，建立了移動載荷作用下梁的動力剛度矩陣模型，并通過Wittrick-Williams算法對系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行求解，通過數(shù)值計算分析了移動質(zhì)量運(yùn)動位置、重量大小、速度和加速度對移動質(zhì)量系統(tǒng)固有頻率的影響規(guī)律。
　　(3)利用Hamilton原理的擴(kuò)展形式推導(dǎo)軸向變速運(yùn)動梁的控制方程和邊界條件，通過求解頻域控制方程，結(jié)合位移邊界條件和載荷邊界條件，推導(dǎo)出軸向變速運(yùn)動梁的動力剛度矩陣，采用Hermite形函數(shù)，建立了軸向變速運(yùn)動

4、梁的有限元模型，通過數(shù)值計算總結(jié)了梁軸向運(yùn)動速度、加速度、軸向受力及邊界條件對固有頻率的影響規(guī)律。
　　(4)將炮身與搖架之間的相互作用關(guān)系簡化成兩個彈性支撐，結(jié)合炮身動態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測試和基于譜元法的系統(tǒng)辨識模型，確定了彈性支撐隨頻率變化的剛度，建立了計及炮身后坐位移、后坐速度、后坐加速度和軸向載荷等因素的動力剛度矩陣模型，通過數(shù)值計算結(jié)果和模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析，討論了炮身后坐位移、后坐速度、后坐加速度和軸向載荷對系統(tǒng)固有頻率的影

5、響規(guī)律。
　　(5)推導(dǎo)計及炮身后坐速度、后坐加速度和軸向載荷影響的移動梁單元系數(shù)矩陣，將搖架簡化成變截面梁并建立其系數(shù)矩陣，建立炮身-搖架耦合運(yùn)動引起的附加矩陣，通過組裝上述各系數(shù)矩陣獲得了沖擊載荷作用下軸向運(yùn)動梁沿支撐梁運(yùn)動的二維時變力學(xué)模型，對某火炮炮身后坐的時變力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計算，通過與炮身模擬后坐實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，指出了二維時變力學(xué)模型處理搖架三維結(jié)構(gòu)特征所存在的不足。
　　(6)分別利用三維移動梁單元和殼單元對

6、炮身及搖架的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，對有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析和信息自動提取，利用“對號入座”的方法將炮身-搖架耦合運(yùn)動引起的附加矩陣的元素疊加到與相應(yīng)單元對應(yīng)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣中，形成系統(tǒng)的時變質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，建立了沖擊載荷作用下炮身沿?fù)u架大位移后坐的三維時變力學(xué)模型，并利用C++語言編制了數(shù)值計算程序。
　　(7)以某火炮炮身大位移后坐為研究對象，用密閉爆發(fā)器火藥燃燒對活塞桿的作用力模擬火炮發(fā)射過程中的炮膛合力，進(jìn)行了炮身大