技术篇 2007年 第十期 某装备结构动态特性分析霍 红(中北大学,太原 030051)摘 要:利用试验模态分析法获得了某机枪结构的模态参数,分析了机枪的动态特性,并通过基于模态试验的灵敏度分析方法,获得了影响该机枪动态特性的敏感部位,为改善机枪动态特性提供了依据.关键词:机枪;灵敏度分析;动态特性;分析中图分类号:TP302.7 文献标识码:A 文章编号:1005 8354(2007)10 0001 02Analysis on structural dyna m ic characteristicsfor certai n equi p m e ntHUO H ong(N orth U n i ve rs i ty o f Ch i na ,T a i yuan 030051,Chi na)Abstract :A ccor ding to modal analysism etho d,modal parametersw ere derived and structural dynam ic charac teristics were analyzed.U sing sensitivit y analysis of model test ,t he dyna m ic characteristics and sensitive p oints of a m achine gun were obt ained.These woul d be used to i m prove dyna m ic propert y of t hemachine gun.K ey words :machine gun;sensitivity analysis ;struct ural dyna m ic characteristics ;analysis收稿日期:2007 08 22作者简介:霍红(1968 ),女,实验师,研究方向:火炮、自动武器与弹药工程.0 引 言当今为提高自动武器的机动性,广泛采用弹性枪架,但随着重量的减轻,武器系统的振动加剧.而武器系统的振动又直接影响到射击精度,特别是弹丸出膛口时的横向位移、横向速度以及弹丸初始扰动等对武器射击精度影响尤其明显[1].为此,需掌握武器系统的固有特性,为分析和优化机枪的动力学特性提供依据,以提高其射击精度.而系统固有特性一般可由理论分析方法和试验方法获得,前者是利用有限元分析法,后者是利用试验模态分析法,随着试验技术的发展和测量仪器精度的提高,利用试验模态分析法得到的结果越来越受到重视,并且常常作为验证有限元模型正确性的主要依据,所以,常采用理论分析和试验两种方法相结合建立模型[1,2],以获得接近实际的结果,为进一步分析如结构修改设计及结构动力特性优化设计提供良好的基础.本文以某机枪为例,采用试验模态分析法识别机枪系统的模态参数和分析其动态特性,并在此基础上进行了灵敏度分析,获得机枪动力学特性对各参数变化的灵敏度,为机枪的动力学特性优化设计提供依据.1 机枪结构试验模态分析1.1 模态测试系统模态测试系统基本由以下几部分组成:激励部分、信号测量和数据采集部分、信号分析和频响函数估计部分[3].其测试系统框图见图1所示.图1 机枪模态试验系统框图1第十期 2007年 技术篇1.2 机枪试验模态分析试验模态分析通常包括:对结构进行激励、测量激励力和响应、估计频响函数、识别模态参数等几个步骤.机枪试验模态分析应用了CRA S 数据采集和模态分析软件系统,依次对各点采用脉冲锤击激励,在枪口(第26点)单点测量其加速度信号获取系统的传递函数并对之进行模态分析及参数识别.为了保证振型能全面反映系统的低频振动特性,把测量点选择在枪身口部,激励点在枪身上设置了11个特征点,在枪架上设置了24个特征点,总共有35个激励点,每点计x 、y 两个方向的自由度,激励点和测量点的具体布置见图2所示.图2 试验点布置图为了保证测试精度,在试验中注意并解决了以下问题:(1)支承方式:采用地面支承使试验时边界条件接近于实际情况;(2)结点的布置:遵循先简后繁的原则,使结点布置合理;(3)激振点的选择:激振点要避开振动节点和使激振方便易行;4)传感器的定位与安装;(5)各仪器设备共地问题.2 试验结果2.1 机枪结构的固有特性经试验模态分析及参数识别得到机枪系统的前四阶固有频率及其对应的振型,如表1所示.表1 机枪固有频率及振型阶序频率(H z)振型(模态形状)113.76枪身相对枪架横向扭振216.27枪身相对枪架上下摆动和弯曲振动318.24枪身相对枪架横向摆振421.14枪身上下振动,架杆上下弯曲振动由振型动画可以看出:在机枪的第一阶和第二阶振动模态中,枪身产生较明显的振动而枪架体几乎不动;在机枪的第三阶和第四阶振动模态中,枪身和枪架同步振动.从整体上讲,枪身振动活跃于枪架振动,而枪身的振动中枪管前部即枪口处和抵肩的振动尤其剧烈,这主要是由于两处距支撑点(第25点)较远,且其径向尺寸较小,刚性较差,而枪架的刚度较大.2.2 灵敏度分析灵敏度分析是基于机枪试验模态分析所得的固有频率,利用CRA S 数据采集分析系统的频率灵敏度分析功能计算频率对质量和对刚度的灵敏度.文中分别计算出了前四阶固有频率(13.76H z 、16.27H z 、18.24H z 、21.14H z)对质量和刚度的灵敏度,如表2和表3所示.经分析得到:1)前三阶固有频率对质量修改的敏感点大部分位于枪身,而第四阶固有频率对质量修改的敏感点分布在枪管后端和枪架的上端.2)第一、二阶固有频率对刚度变化的敏感点位于枪身,第三阶固有频率对刚度变化的敏感点位于枪管前端与两后架杆之间,第四阶固有频率对刚度变化的敏感点位于枪身中部与枪架下端之间.表2 固有频率对质量的灵敏度单位:H z /kg 频率13.76H z16.27H z18.24H z 21.14H z序号结点灵敏度结点灵敏度结点灵敏度结点灵敏度126-4.7334-7.0326-6.3732-45.2235-3.2335-6.7527-4.4131-38.3327-2.9625-0.76828-3.6825-37.0428-2.1924-0.55529-2.8717-36.5534-1.9430-0.50531-1.828-34.2(下转第29页)2行业的需求.2.3.4 SG I工作站本系统开发的硬件平台是基于UN I X操作系统的SG I Oynx2超级图形工作站,PC机主要用于辅助建模及纹理处理.3 结论及展望本文对基于虚拟现实技术的虚拟机舱漫游系统的设计、实现进行了研究,总结了漫游系统的开发方法和技术路线,并在SG I工作站实现了一个场景较为复杂的机舱实时漫游系统.本项目的开发与应用研究涉及到多门学科的交叉,对虚拟现实技术的开发与应用研究项目的实施,可以从不同的方向培养我院的教师,诸如计算机技术,仿真技术,自动控制技术,计算机图形学等等,参加这项研究可形成一个以我院的教授为学科带头人,多名博士硕士研究生及青年教师参与的科研梯队,对于学科建设及今后科学研究的开展具有深远的意义.参考文献:[1]李 实.基于虚拟现实的船舶轮机仿真训练系统[J].系统仿真学报,2000,(3):193 196.[2] 陈正鸣,吴玉光.虚拟现实在CAD/C AM中的应用[J].计算机工程,1999,25,(7):3 5.[3] 彭群生,鲍虎军,金小刚.计算机真实感图形的算法基础[M].北京:科学出版社,1999.[4] 汪成为,高 仁,王行仁.灵幻(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京:清华大学出版社,1996. [5] 刘鹏远.虚拟现实技术在武器操纵训练中的应用[J].系统仿真学报,2001,(11):369 373.[6] 周 瑜,谭家华.基于仿真的船舶设计方法[J].造船技术,2000,(2):33 36.[7] 郭 晨.基于虚拟现实技术的船舶轮机仿真系统技术研究报告[R].大连海事大学航海动态仿真与控制,交通部重点实验室,2001.(上接第2页)表3 固有频率对刚度的灵敏度 单位:H z/(N/m)频率13.76H z16.27H z18.24H z21.14H z 序号结点灵敏度结点灵敏度结点灵敏度结点灵敏度126,352.11e-330,341.08e-310,264.65e-418,322.88e-3 226,341.71e-330,341.05e-314,264.62e-41,322.83e-3 327,351.65e-326,348.77e-45,264.61e-410,322.70e-3 428,351.44e-326,358.48e-46,264.57e-418,312.47e-3 527,341.30e-327,348.39e-411,264.56e-418,252.39e-3根据动态特性的灵敏度分析结果,发现在枪口(第26点)和枪架的上端(第9点)所对应的结点处作质量修改及改变前架杆的刚度,对机枪结构的固有特性影响较明显,且能较快地满足预期的动态特性要求.3 结 论对机枪系统进行试验模态分析,获得了其固有频率及其振动特性,利用试验模态分析结果进行了固有频率对质量和对刚度的灵敏度分析,获得了机枪动力学特性对各参数变化的敏感部位,为机枪结构动态特性修改提供了依据.参考文献:[1]戴成勋,靳天佑,朵英贤.自动武器设计新编[M].北京:国防工业出版社,1990.[2]顾松年.结构动力修改的发展与现状[J].机械强度,1991,(3):1~9.[3]傅志方.振动模态分析与参数识别[M].北京:机械工业出版社,1990.29技术篇 2007年 第十期。