1中腹供弹装置仿真分析
综合运用UG、MATLAB、ADAMS和ANSYS实现装置运动学和动力学分析、刚柔耦合建模和摆杆的有限元分析[5-6]。在运动学和动力学建模的基础上，通过编写MATLAB程序实现了运动学和动力学结果的输出；通过ADAMS导入UG导出的中间格式文件以实现运动学和动力学仿真；ADAMS调用ANSYS生成的模态中性文件以实现刚柔耦合仿真；ANSYS调用ADAMS输出的精确运动学和动力学仿真结果可以实现快速、精确的有限元分析和优化。采用各软件进行联合仿真能够高效、准确得获取仿真结果，从而大大地缩短装置开发的周期。3.1多刚体虚拟样机仿真在三维软件UG中建立了各部件的模型并完成装置的装配。为提高建模效率，对模型适当简化，模型导入后，赋予零件材料，添加相关约束，施加驱动如图2所示（此时为装置最危险工况）。参考相关文献[7]，选定求解器为WSTIFF，积分格式为SI1，Error值为1E-5，Hmax值为5E-4。上述仿真参数的设定避免了意外峰值的出现，也保证精度和效率。最终建立的多刚体虚拟样机模型，如图3所示。仿真完成后，在后处理中选中摆杆与炮架的旋转副（O点处）并输出合力曲线，如图4中虚线所示。由图4可知，摆杆对炮架的作用力为时变载荷，其最小值为2517.13N，发生在5.0s时刻，最大值为16254.21N，发生在2.5s时刻。为实现摆杆与发射装置的快速同步，所设计的摆杆摆动角加速度存在突变，因此此处受力也存在有限的突变。将MATLAB求解的理论解导入至ADAMS中以进行数据对比，如图4中实线所示。数据对比表明理论解和仿真解高度一致，则动力学建模正确，虚拟样机仿真准确。两条曲线误差最大值发生在2.54s处，仅为0.95%。误差主要是由不同的计算方法造成的：理论解是由牛顿经典力学或分析力学所列方程直接求解而来的；仿真解是通过ADAMS软件基于拉格朗日乘子法自动建立动力学方程并通过积分迭代求解而得到。3.2模态中性文件（MNF）的生成摆杆是本装置的关键零部件之一：在实际工作过程中，齿条推动摆杆高速上、下摆动。摆杆偏重势必会给伺服系统提出过高的要求，而摆杆质量过轻可能会影响到其结构强度。则选定摆杆为柔性体，其余构件为刚性体，建立装置的刚柔耦合模型。摆杆由板件焊接成形，则使用壳单元来模拟。研究重点关注摆杆的整体强度，做了以下简化：（1）不考虑焊缝对机械强度的影响；（2）忽略组成摆杆的各组件之间的连接方式，将摆杆简化为一个构件。在UG中提取几何面并输出为中间格式文件，将中间格式文件导入至ANSYS中，经过适当的几何清理后即获得了摆杆的模型。选用Shell63单元来划分网格，设置单元的基本尺寸为15mm，选择单元形状为四面体单元，采用自由网格划法，最终划分的摆杆有限元模型具有29536个单元。考虑到铰接点及其附近可能存在应力集中，则该处已进行网格局部加密。以上建模过程均通过命令流来实现，同时为方便后续优化设计研究，部分板厚已经参数化。建立MNF的关键是建立界面点及刚性区域。在ANSYS中，刚性区域通过刚性区或梁单元连接了界面点和周边节点。在ADAMS软件中，界面点是运动副施加的MARKER点，也是力（力矩）的作用点。选用梁单元建立了四处刚性区域：耳轴回转处、铰接点处、输弹机固定点和弹药固定点，如图5所示。选定四个刚性区域内的界面点，设置好输出选项后，即可进行MNF的输出。3.3刚柔耦合模型的仿真分析将摆杆替换为MNF即可建立刚柔耦合模型。仿真结束后提取应力相对偏大的10个节点的有限元结果，如表1所示。在装置最危险工况下，摆杆应力最大值发生在2.48s时刻，位于节点87464处（铰接点附近），大小为52.37MPa，未超过材料的屈服极限值，因此摆杆的设计是安全可靠的且设计留有优化空间。提取2.48s时刻的载荷，并编辑为载荷文件的格式，以便后续深入研究。
2摆杆的有限元分析
在ANSYS软件中，给模型施加相应的约束并调用2.48s时刻的载荷文件，得出摆杆的应力最大值为53.28MPa，如图6（a）所示。由图6（a）可知摆杆应力分布较不均匀：应力最大处位于节点87464处，该处位于铰接点附近，同时靠近输弹机与摆杆的固定点；应力相对较大的部位位于摆杆的摆臂处；应力较小的部位位于摆杆的尾部。摆杆的最大应变发生在摆杆的末端，其最大值为2.32mm，如图6（b）所示。通过比较2.48s时刻ANSYS有限元计算结果与ADAMS刚柔耦合计算结果发现，应力最大值的误差仅为1.7%。利用两个世界公认的大型仿真软件得到的结果数据是一致的，说明摆杆的有限元分析是可靠的。
3结束语
在动力学建模的基础上使用MATLAB编程输出动力学理论解，随后通过虚拟样机仿真得出了仿真解，理论解和仿真解的统一验证动力学建模的正确性和虚拟样机仿真的准确性；借助导入几何面的方法实现了摆杆的参数化建模，解决了复杂模型有限元建模和载荷加载问题，核算了摆杆的强度；通过ANSYS调用ADAMS载荷文件的方法再次对摆杆进行了有限元分析，验证了刚柔耦合模型得出的有限元结果；优化了组成摆杆的各板厚，降低了整机的功率，提高了中腹供弹装置的产品性能。
作预防医学论文者：唐文献 郭晓冬 彭松江 张丽娟 单位：江苏科技大学 中国船舶重工集团公司
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