快門式水下阻水裝置模態分析

羅加勝 唐彪云 譚慶 李俊

摘要：快門式阻水裝置是安裝在水下武器身管前端，用于將海水阻絕在身管外部的核心裝置。在工作中，阻水裝置除了要受到武器發射時的沖擊振動外，還受海波的沖刷，存在著發生共振影響武器發射精度的問題，為此，建立了阻水裝置的有限元仿真模型并對其進行了模態分析。仿真結果表明，阻水裝置的固有頻率不在海浪頻率和武器發射振動頻率的區間內，在身管前端增加阻水裝置不會對武器系統發射精度造成壞的影響。

關鍵詞：快門機構;固有頻率;模態

引言

模態分析是一種用于研究結構的動力學特性的常用方法。模態是指僅與機械結構和邊界條件相關的固有震動特性。每一個模態都存在一個與之一一對應的特定的固有頻率、阻尼比以及模態振型。

根據模態的疊加原理，在已知曉零部件的各種載荷時間歷程的情況下，使用有效的有限元仿真軟件可以預測零部件的固有頻率。[1-15]

快門式阻水裝置安裝在用于反蛙人的水下身管武器前端，用于將海水阻絕在身管外部，防止海水涌入身管內對投射部姿態造成擾動。增加了阻水裝置后，發射系統的結構、幾何中心以及質心均產生了改變，這勢必會引起系統固有頻率的改變，當系統固有頻率的值與激勵頻率相當時，會引起系統的共振，嚴重影響系統的發射穩定性、精度、安全，嚴重時會給操作者和武器系統的安全帶來極大威脅。為此，本文建立了阻水裝置的有限元分析模型，對其進行了模態分析。

1 結構組成

阻水裝置通過略大于身管內徑的密封管螺紋擰緊固定在身管口部，阻水裝置的原理圖如圖1 所示。阻水裝置由球形閥、阻水筒、步進電機1、步進電機2、水泵1、水泵2、快門式隔水閥等構成。

阻水筒由兩截圓筒和三片隔板焊接而成，蓄水腔2 由內筒和外筒合圍而成。蓄水腔1 由內筒、外筒、球形閥和隔水閥合圍而成。側向小孔用于聯通內筒和外筒。阻水筒和身管之間通過使用螺紋固定連接在一起。

2 模態分析理論[16]

海浪頻率在0.01HZ～1HZ 之間，本課題的發射裝置固有頻率在21HZ～26HZ 之間。

一般來說，零部件的高頻振動模態對結構的運動特性產生的影響很小，在分析時，一般側重考慮低階模態。

根據機械振動理論，對于自由度為N 的一個系統，其運動方程可以用式（1）的常系數微分方程對加以敘述：

3 模態仿真與分析

把使用solidworks 三維建模軟件建立的阻水裝置裝配體導入有限元分析軟件，使用四面體對各零件畫網格，所有零件均賦304 不銹鋼材料，密度取為7930kg/m3;彈性模量取為200GPa。假設身管尾端固定，前端與阻水筒的螺紋連接簡化為固定連接。

通過提取結果云圖發現，一階、二階模態，阻水裝置前端變形較為明顯，三階模態，步進電機處位移變形較為明顯。

計算得到的阻水裝置的各階固有頻率如表1 所示，一階固有頻率的值為8.0Hz，與海浪頻率和武器發射時受迫振動頻率不在一個區間內。

4 結束語

本文對增加了阻水裝置的水下發射系統進行了1 至6 階模態仿真分析，結果表示，系統的固有頻率避開了海浪頻率和武器系統發射振動頻率，在使用中，不會發生共振，影響武器系統發射精度，威脅乘員和裝備安全。

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