基于ADINA的导弹起竖液压缸有限元分析.pdf

基于 A D I N A的导弹起竖液压缸有限元分析 谢建权辉田桂 第二炮兵工程学院西安7 1 0 0 2 5 摘要 对导弹起竖过程进行动力学分析，利用 M a t l a b绘出液压缸长度、受力以及内部压力随起竖角度的 变化曲线，找出最易失效的状态 ，利用 A D I N A建立最易失效状态下液压缸模型，进行有限元分析。分析结果表 明起竖液压缸的强度和刚度符合要求 ，为起竖液压系统的设计与优化提供了参考。 关键词导弹；液压缸 ；有限元分析；M a t l a b；A D I N A 中图分类号T J 7 6 5 ． 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 0 7 0 0 4 2 0 4 Ab s t r a c t T h e p a p e r a p p l i e s k i n e t i c a n a l y s i s t o t h e e r e c t i n g p r o c e s s o f t h e mi s s i l e ，p l o t s t h e c u r v e o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r l e n gth，f o r c e a n d i n t e r n a l p r e s s u r e c h a n g e s a s t h e e r e c t i n g a n e w i t h Ma t l a b ，a n d i d e n t i fi e s t h e mo s t v u l n e r a b l e s t a t e ．T h e h y d r a u l i c c y l i n d e r mo d e l u n d e r t h e mo s t v u l n e r a b l e s t a t e i s e s t a b l i s h e d v i a ADI NA a n d fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s i s c a r r i e d o u t ．T h e a n aly s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e e r e c t i n g s t r e n g t h a n d s t i f f n e s s o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r me e t t h e r e q u i r e me n t s ，p r o v i d i n g a r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n a n d o p t i mi z a t i o n o f t h e e r e c t i n g h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s mi s s i l e；h y d r a u l i c c y l i n d e r ；fi n i t e e l e me n t a n aly s i s ；Ma t l a b；ADI NA 0 概述 液压驱动是 目前我 国机动导 弹起 竖系统 的主 要驱动方式 ，其安全 与可靠性关系着导弹武器 系 统 的作战效能 。大型伸 缩液压缸是液压起竖 系统 的主要执行元件 ，结构复 杂 ，价格 昂贵。 目前 此 类液压缸 的设计没有 固定标准 ，在使用 中很 容易 发生爆裂 、扭 曲、折断 以及其他失 效 ，造成严 重 的损失⋯。本文对某 型导 弹起竖 系统液压缸的强 度进行分析探讨。 导弹起竖 系统如 图 1所 示。起竖过程 中，液 压缸整体 长度 、受力 以及 内部 油压 一直处于变化 中。液压缸 由于重力而产生 的弯曲变形 ，以及 由 于液压 缸 内部 复杂结 构而在 工作 中产生 的应力 、 应变不均匀都可能使液压缸失效。因此，有必要 首先分 析此液 压缸 在整个 工作过程 中整 体长 度、 所受载荷 以及 内部压力随起竖角度变化情况 ，找 出液压缸最 易失效的状态 ，然后利用有 限元软件 分析其强度和刚度是否满足要求 。 1 动 力学分 析 1 ． 1 起竖机构 图 1 是某 型导弹发射装置示 意图。导弹 置于 发射筒中，发射筒与发射车及液压缸 的活塞 杆铰 一 42 1 ．发射筒2 ．起竖液压缸3 ．发射车 图 1 导弹起 竖系统示 意图 接 。活塞在起竖 液压缸 中沿缸筒作 直线运动。发 射时 ，发射 车到达 预定 发射地点 ，发射简在液压 缸 的推力作用下起竖至垂直位 置。由机械原 理可 知 ，该机构 的自由度为 1 _ 2 J 。 1 ． 2受力分析 理想情况下 ，导弹起竖机构受力如图 2所示 。 发射筒受到弹体和自 身重力 G 、液压缸推力F ． 及铰支点约束力的作用。根据动量矩定理，有 ‘ ， MF MG 1 式 中． ， 。 为导弹和发射筒相对 于 0 的转动惯 量 ， 为导弹起竖 的角加速度 ， 为液压缸 推力 对 0 的力矩 ， 。为 弹体和发射筒 重力 对 0 的 力矩。 由受力 图2可知 起重运输机械 2 0 1 1 7 图2 起竖系统受力示意图 r I t ， 0 ， t 1 { 卢 1 t 1 ， t 1 ， t 2 1 2 【 2 t 一 2 t 3 ， t 2 ， t 3 ， 0 ， f 。 一 ， t l , t 2 1 3 fl 2 t 3 t 9 0 2 t 2 t 3 MF F L 2 Mc G l G C O S G 3 卢 L 1 2 s i n 0 4 O ／ 4 - 0 5 在 A O 0 0 ，中，有几何关系 0 』 ， 正 弦 定 理 6 【 l l l ； 一 2 l l c o s O ／ 。 ， 余弦定理 I _ 。 可得 图3 起竖过程角加速度 ． f 1 s i n O t 0 ／ 芝一 2 l 】 12 c o s O ／ O d0 代人式 4 ，得 r Z 1 2 2 s i n 0 ‘ ／ 一 2 z 1 z 2 c o s o 同理，可得 厶 与 Z 的关系 ，f l f 2 ／ z 一 2 z L 一 Z 结合式 1 、 2 、 3 、 8 ，可得 F． C／ c c O S O t _ a c _ J G fl 一 f l f 2 s i n O t 0 7 2 Ma t l a b计算 给定 起 竖 运 动 角 速 度 0 ． 0 5 。 ／ s ， 8 0 ． 0 5 。 ／ s ，时 间t l2 0 s ， 29 0 s ，t 3 11 0 s E 2 ] 。则起竖角度变化规律为 r0 ． 0 2 5 t ， 0 ， 2 0 O t { t 一1 0 ， 2 O ， 9 O 1 4 9 【 一 0 ． 0 2 5 t 5 ． 5 t 一 2 1 2 ． 5 ， 9 0 ， 1 1 0 、 2 ． 1 起竖力与起竖角度的关系 根据式 1 0 和式 1 4 可得起竖液压 缸推 力与起竖角度的关系为 ／ 一 2 z 1 z 2 c o s O t O ／o 1 0 1 ． 3 起竖速度分析 以一级液压缸驱 动的起竖机 构为例 ，起 竖过 程经历 “ 匀加 速一匀速一匀减 速 ” 的转 动过 程。 起竖过程角加速度 如图 3所示 。设 定匀加 速段 的 一 角加速度为J 8 ，匀减速段 的角加速度为 ，则 ，卢 ， [ 0 ， t 1 卢 { 0 ， [ 。 ， t 1 1 L 2 ， l t 2 ， t 3 J 对时间 t 积分得起竖过程角速度 起重运输机械 2 0 1 1 7 G ／ G C O S O t O ／ G 凡 l l l l 2 s i n 0 ／ z l ； 一 2 l 1 z 2 c 0 s 0 ， G l G C O S O ／ O d G l l l 2 s i n ％ ／ 1 ； 一 2 1 1 l 2 c o s 0 ， G l G C O S O L O ／ G ．， e 2 I i l 2 s i n o ／ l ； 一 2 l 1 l 2 c o s 0 ， 0 。 ，1 0 。 1 0 。 ，8 O 。 8 0 。 ，9 0 。 1 5 ． - - - 43 ．--- 利用 Ma fl a b计算得 到起 竖液压缸受力与起竖 角度之间的关系曲线 ，见图 4 液艇缸起竖角度 。 图4 液压缸负载力与起竖角度关系曲线 从图 4可 以得 出 ，初 始起 竖力 为 2 ． 7 9 7 7 1 0 N。在起竖角度为 8 5 ． 2 0 7 9 。 时，液压缸由受 压变为受拉 ，在起竖 角度为 9 0 。 时 ，液压缸 受拉 力 一 5 ． 0 1 5 41 0 N。在 1 O 。 和 8 0 。 时 ，起竖力发 生突变 。在起竖角度为 6 ． 7 6 8 6 。 时 ，液 压缸受到 最大负载力 2 ． 8 1 1 71 0 N。将图 4局部放大得到 起竖力突变和最大负载力的清晰描述，见图 5一 图 7 。 Z 2 Z 宝 图 5 1 0 。 时起竖力突变 图6 8 0 。 时起竖力突变 6 7 6 8 6 ．7 6 9 起竖角度， 。 图7 起竖力最大值 2 ． 2 液压缸压力与起竖角度的关系 根据式 6 ，液压缸总长度与起竖 角度 的关 系为 z ／ 一 2 z l z 2 c 0 s 0 co 1 6 由式 1 6 可以计算出二级缸开始伸出时， a3 2 ． 7 5 5 9 。 。 取缸筒正腔面积 A 0 ． 0 3 1 4 m ，一级缸正腔 4 4 面积 A 0 ． 0 1 7 7 m ，可得液压缸内部油压与起竖 角度的关系曲线 ，如图 8所示。 图 8 液压缸压力与起竖角度关系图 计算可得 仅 3 2 ． 7 5 5 9 o 时，液压缸正腔压力 发生突变， 并取得最大值 P 1 4 ． 6 0 0 8 M P a 。 3 有 限元分析 根据液压缸 受力和压 力变化情 况 ，在轴 向受 力最 大或者 内部压力最大 的情况下液压缸最容易 产生极限应力和最大形变 ，从 而发生失效 ⋯。现 利用 A D I N A软件对这 2种情况进行建模分析。 为 了简化 分析 ，将缸 筒 和活塞 杆视 为 固连。 采用 A D I N AM建模 ，将重力作用方 向设定为 一 z 轴方 向，坐标 系原点设 在液压 缸底 部 中心 ，水 平面 为 XO Y平 面 ，液压 缸 在 Y O Z平 面 内转 动 ， 起竖力最大和液压缸压力最大 2种情 况下 ，液压 缸与水平 Y轴夹角可由式 5 和式 7 计算 得 出。 3 ． 1 起竖力最大工况分析 在起竖力最大时，起竖角度为 6 ． 7 6 8 6 。 ，一级 缸伸出长为 1 7 2 m m，计算得 出液压缸轴线 与水平 面夹角为 7 1 ． 1 5 2 9 。 ，据此建立液 压缸 实体模型 。 在两端铰支点上施加 0位移约束。施加重力载荷 g9 ． 8 1 m ／ s ，并 在活塞 杆 一端施 加集 中力 。 材料为 4 5号钢 ，杨 氏模量 2 ． 0 7 X 1 0 “ P a ，泊松 比 0 ． 2 9 ，密度为 7 8 0 0 k g ／ m 。 单元组类型为三维实体，网格密度采用定长 值， 并在局部进行细分。划分网格如图9 所示。 图9 液压缸有限元模型 起重运输机械 2 0 1 1 7 B d ＼ 出 塌 幽 考虑到重力作 用 ，最 大变形 和应力都发 生在 X O Y平面，位移云图和应力云图如图 1 0所示，其 中位移云图采用 了放大 比例来描述。 a 位移云图 b 应力云图 图 1 0 液压缸起竖力最大时的变形和应力云图 根据 A D I N A 求 解 结 果 可 知 ，最 大 位 移 为 3 ． 5 5 6 m m，发生在节点 2 2 5 0处 ，如图 1 0 a中 1 所 示位置 ，最小位移 0 ． 3 6 8 2 mm，发生在节点 1 2 3 ， 如图 1 0 a中 2所示位置。最大剪应力为 1 1 7 MP a ， 发生在 2 5 9 7 2单元第 5节点 ，如 图 1 0 b中 1所示 位置 ，即二级筒顶端与活塞杆接触处。 由于液压 缸主要受 压 ，可 根据第 三强度理论 进行校核 ，当 ≤ ／ 2时 ，强度满 足要 求。4 5 号钢 3 4 0 M P a ，根据 A D I N A求解结果，r m 1 1 7 M P a ，液压缸强度符合要求。 3 ． 2液压缸压力最大工况分析 在液压 缸 压力 最 大 时 ，起 竖 角度 为 3 2 ． 7 5 5 9 。 ，一级缸伸 出长度 为 7 9 0 m m，计算 得 出液 压 缸轴线与水平面夹角为 8 5 ． 3 4 8 5 。 ，据此建立液压 缸实体模型。除载荷条 件变为压 力 P 1 4 ． 6 0 0 8 M P a 外，其他条件与起竖力最大时相 同，划分 网格 同起竖力最 大工况 。位移云 图和应 力云 图如 2 a b a 位移云图 b 应力云图 图 1 1 液压缸压力最大时的变形和应力云图 起重运输机械 2 0 1 1 7 图 1 1所 示 ，其 中位 移 云 图采 用 了放 大 比例 来 描述 。 根据 A D I N A 求 解 结 果 可 知 ，最 大 位 移 为 3 ． 4 4 2 mm，发生 在节点 1 9 5 2 9处 ，如 图 1 1 a中 1 所示位置 ，最小位 移 一0 ． 1 6 5 2 mm，发生在节点 7 0 2处 ，如 图 1 0 a中 2所示 位置 。最 大剪应 力 为 7 8 ． 0 6 MP a ，发生在 9 0 0 6单元第 5节点处 ，如图 1 0 b中 1所 示 位 置 ，即二 级 筒 顶 端 与活 塞 杆 接 触处 。 根据第三强 度理论 校核 ，r m 1 1 7 MP a ，小 于屈服极 限，液压缸强度符合要求 。 4 结论 1 从起竖运动规律的研究可 以看出，导弹起 竖过程 中，由于加 速度 的变化 以及换级 ，会发 生 液压冲击 ； 2 在起 竖过程 中，液 压缸并不是 一直受压 ， 在起竖接近 9 0 。 时，液压缸变为受拉 ； 3 导弹起竖过程 中，初始起竖力并不一定是 最大起竖力 ，最 大起 竖力与起竖 系统 各要素 的相 互位置有关 ； 4 液压缸最大变形发生在液压缸总长度的中 部位置 ，在液压缸 自重作用下变形量很小 ； 5 液压缸的最大应力发生在二级缸筒顶部 与 活塞杆接触处 ，在受力范 围内，液压 缸强度满足 要求 。 参考文献 [ 1 ]龙晓金，朱建公，王仲恒，等 ．基于 A N S Y S的井架支 撑液压缸的有限元分析 [ J ] ．机电技术 ，2 0 0 9 4 6 5 6 7． [ 2 ]唐卫华，王三民，袁茹 ．发射装置起竖动力学分析及驱 动方式优选[ J ] ．弹箭与制导学报，2 7 2 3 2 5 3 2 7 ． [ 3 ]谢建 ，胡一全，田桂 ．导弹起竖过程中风载荷影响研 究[ J ] ．战术导弹技术，2 0 0 9 6 1 51 8 ． [ 4 ]姚晓光，郭晓松，冯永保，等 ．导弹起竖过程的载荷 研究[ J ] ．兵工学报，2 0 0 8 ，2 9 6 7 1 8 7 2 2 ． 作 者权辉 地 址 西安第二炮兵工程学院研究生 1队 邮 编7 1 0 0 2 5 收稿 日期 2 0 1 1 0 1 0 8 - 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