廖 輝,姜黎明,王 剛,任 琳,魏松波

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051;2.重慶長風機器有限責任公司，重慶 402264)

基于ABAQUS的凸輪式抽筒子結構優(yōu)化分析

廖 輝1,姜黎明2,王 剛1,任 琳1,魏松波1

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051;2.重慶長風機器有限責任公司，重慶 402264)

抽筒子是火炮進行抽筒的關鍵部件，其可靠性直接影響火炮的持續(xù)戰(zhàn)斗力。為降低抽筒子的應力峰值，利用ABAQUS軟件的優(yōu)化模塊，對凸輪式抽筒子進行拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化，并將優(yōu)化后的抽筒子導入ABAQUS中進行瞬態(tài)動力學仿真，對比優(yōu)化前后抽筒子工作情況。結果表明，經(jīng)過兩輪優(yōu)化后，抽筒子最大應力下降了31.2%，變形增大了11.2%，質(zhì)量減小了13.5%，最大抽筒速度下降了3.13%。優(yōu)化后模型的抽筒特性改變很小，抽筒子應力均下降到安全范圍內(nèi)，其工作可靠性有所提高，抽筒子的優(yōu)化分析對類似結構設計有一定的參考價值。

彈塑性力學；抽筒子；結構優(yōu)化；有限元分析

凸輪式抽筒機構是指在開閂過程中，利用閂體定形槽迫使抽筒子轉動進行抽殼的結構。與杠桿式抽筒結構相比，該結構具有抽筒平穩(wěn)、工作可靠等優(yōu)點。由于抽筒子在運動過程中，需要承受多種形式的動態(tài)載荷，有可能導致抽筒子的塑性變形或失效，所以應該對其結構進行優(yōu)化設計，以提高工作的可靠性。

隨著計算機仿真技術的發(fā)展，目前已經(jīng)普遍采用計算機輔助工程對火炮抽筒過程進行分析，但是對凸輪式抽筒子的結構優(yōu)化所做的分析卻很少。曾志銀等[1]利用ANSYS對二維抽筒模型進行仿真分析，得到了抽筒力與膛壓、身管材料之間的關系。張金忠等[2]基于ANSYS-WORKBENCH，對坦克炮三維抽筒子模型進行靜態(tài)分析，探究抽筒出現(xiàn)常見故障的原因。康艷翔等[3]采用MSC.Dytran對抽筒過程進行了瞬態(tài)分析，并將仿真結果與理論計算進行對比。徐耀春[4]采用ABAQUS對艦炮抽殼過程進行非線性結構動力學分析，并考慮了磨損對機構運動的影響。張建等[5]利用HyperWorks對撞擊式抽筒子進行優(yōu)化，降低了抽筒子的應力峰值。

大型有限元軟件ABAQUS不僅擁有很強的非線性分析能力，也可以對零件件的拓撲結構、外形進行優(yōu)化分析。將優(yōu)化分析得到的結果經(jīng)過圓整后，再導入ABAQUS瞬態(tài)動力學模型中進行校驗，即可完成對抽筒子的結構優(yōu)化分析。

1 抽筒過程概述

火炮的抽筒機構由身管、炮尾、閂體、左右抽筒子等組成，其結構簡圖如圖1所示。

閂體可以向下運動開閂。抽筒子的內(nèi)耳在閂體定形槽內(nèi)滑動，抽筒子外耳軸可以在炮尾定形孔內(nèi)滑動。抽筒子爪扣住藥筒底緣，抽筒子肚頂在身管尾端面上。炮尾復進過程中閂體向下開閂，抽筒子在閂體定位槽和炮尾定位孔的共同作用下回轉，并用傳速比逐步增大的方法，達到由慢到快的平穩(wěn)抽筒效果[6]。整個抽筒時間約80 ms，相對于撞擊杠桿式抽筒子而言，其工作載荷比較平緩。

2 抽筒力計算

炮彈發(fā)射后，藥筒塑性變形與身管產(chǎn)生過盈接觸，藥筒與身管的摩擦力是抽筒力的主要來源。建立藥筒與身管的軸對稱模型用于計算抽筒力,藥筒材料應力應變曲線如圖2所示。身管材料為炮鋼，屈服極限980 MPa；利用經(jīng)典內(nèi)彈道方法計算得到膛壓變化曲線，并施加在藥筒內(nèi)表面；建立兩個瞬態(tài)動力學分析步，分別用于模擬藥筒變形和抽筒。仿真得到抽筒力峰值97 374 N，由于藥筒錐度較小，藥筒位移約35 mm后抽筒力才下降到0，如圖3所示。

3 結構優(yōu)化

為優(yōu)化抽筒子結構，先進行瞬態(tài)動力學仿真，將得到的抽筒子動態(tài)載荷轉換為靜態(tài)載荷，再把靜態(tài)力學模型導入優(yōu)化模塊進行拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化。

3.1 抽筒子的動態(tài)與靜態(tài)模型計算

在ABAQUS/CAE 中建立后坐部分的瞬態(tài)動力學分析模型，考慮結構對稱性，取原有模型的1/2進行分析。采用以位移為自變量的非線性彈性連接單元來模擬藥筒與身管間的作用力；并對復進部分施加實際測量得到的復進速度載荷。模型部件采用通用接觸，摩擦因數(shù)為0.1。建立好后的有限元模型如圖4所示。

為加快優(yōu)化效率，根據(jù)上面的瞬態(tài)動力學仿真結果，將動態(tài)接觸載荷轉換為抽筒子模型上相應的靜態(tài)載荷和邊界條件，建立關于抽筒子的靜態(tài)力學分析模型。模型材料的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。以瞬態(tài)模型仿真結果為參考，考慮一定的余量，最終確定在抽筒子爪上施加力載荷50 kN用于模擬瞬態(tài)模型中單個抽筒子受到的最大抽筒力。在抽筒子肚表面與參考點添加耦合約束，并約束該參考點上的位移自由度。在抽筒子內(nèi)耳軸與閂體定形槽接觸部位、外耳軸與炮尾定位孔接觸部位分別添加位移約束。建立好的抽筒子靜態(tài)模型如圖5所示。

該抽筒子靜態(tài)模型最大等效應力如圖6所示。

由該圖可知，抽筒子上有3個區(qū)域的應力超過了材料的屈服極限，分別是：

1)內(nèi)耳軸與閂體接觸區(qū)域。

2)抽筒子肚與身管尾端接觸區(qū)域。

3)抽筒子爪與抽筒子過渡區(qū)域。

最大應力為7 351號節(jié)點，大小為1 407 MPa，該節(jié)點所在區(qū)域即為抽筒子最容易失效部位。抽筒子的最大變形位移為0.661 3 mm，抽筒子質(zhì)量為1.141 kg。

3.2 抽筒子拓撲優(yōu)化

ABAQUS的拓撲優(yōu)化支持基于敏度和基于剛度的算法，基于敏度的算法擁有更高的靈活性，而基于剛度的算法在合適的應用范圍內(nèi)有更高的效率。軟件通過將單元的質(zhì)量和剛度充分變小而不再參與整體結構響應[7]。

對抽筒子的優(yōu)化分析采用基于剛度的算法，創(chuàng)建拓撲優(yōu)化模型為：最小化應變能的目標函數(shù)；減小體積20%的約束；拔模等幾何約束。

抽筒子模型經(jīng)過拓撲優(yōu)化的結果如圖7所示，該圖顯示了抽筒子在工作中的最佳傳力路徑。將該結果模型導入三維建模軟件UG中，參考文獻[5]對結果模型進行圓整。圓整后模型再次進行靜態(tài)分析，施加的載荷與邊界條件與原始模型完全一致，得到的等效應力云圖如圖8所示，其最大應力值為1 273.6 MPa，原有3個應力集中部位的應力值都有所減小，最大變形位移0.739 mm，質(zhì)量為 0.985 kg。優(yōu)化后的抽筒子強度提高了9.48%，變形增大了11.75%，質(zhì)量減少了13.67%。

3.3 抽筒子形狀優(yōu)化

通常在進行了拓撲優(yōu)化后再進行形狀優(yōu)化，形狀優(yōu)化采用與基于剛度的拓撲優(yōu)化類似的算法，通過改變表面節(jié)點位置以減少局部應力集中[8]。ABAQUS還能夠對內(nèi)部的單元進行光順，避免形狀優(yōu)化導致的單元畸變(只能對四面體、四邊形和三角形單元進行處理)，默認系統(tǒng)采用強制拉普拉斯網(wǎng)格光順算法。

創(chuàng)建的抽筒子形狀優(yōu)化模型為：最小化應力峰值的目標函數(shù)；體積不變的約束；拔模等幾何約束。

將圓整后的拓撲優(yōu)化結果模型進行形狀優(yōu)化，得到的抽筒子應力云圖如圖9所示。形狀優(yōu)化主要針對抽筒子內(nèi)耳軸進行，優(yōu)化后內(nèi)耳軸與閂體定形槽的接觸面積增加，內(nèi)耳軸應力下降，最大應力出現(xiàn)在抽筒子爪上。抽筒子最大應力為 968.3 MPa，最大位移為0.735 5 mm，優(yōu)化后的質(zhì)量為0.987 kg。相對于原始模型，抽筒子強度提高了31.18%，變形增大了11.22%，質(zhì)量減小了13.50%。

表1給出了經(jīng)過拓撲和形狀優(yōu)化后，抽筒子上3個應力集中區(qū)域的最大等效應力變化情況。由表可知，形狀優(yōu)化有效減小了應力集中區(qū)域的應力峰值，其中區(qū)域1上最大應力下降了38.02%，區(qū)域2最大應力下降了13.51%，區(qū)域3最大應力下降了24.58%。經(jīng)過兩輪優(yōu)化后，抽筒子上所有區(qū)域應力值均下降到了材料的屈服極限以下。

表1 優(yōu)化前后抽筒子應力極值對比 MPa

4 動態(tài)模型校核

為校核優(yōu)化后的抽筒子在實際工況下的運動特性，將優(yōu)化后的抽筒子模型重新導入ABAQUS瞬態(tài)動力學模型，替換原有抽筒子模型進行仿真分析。優(yōu)化前后抽筒子模型的抽筒速度曲線如圖10所示。

抽筒速度峰值由優(yōu)化前的10.767 m/s下降到優(yōu)化后的10.430 m/s，下降了約3.13%。抽筒速度的整體趨勢保持不變，速度曲線均分為較慢和較快的兩個階段，當抽筒子內(nèi)耳軸與閂體定形槽直線段接觸時抽筒速度較慢，當與閂體定形槽弧形段接觸時速度較快。優(yōu)化前的抽筒速度在54.4 ms加快，在67.2 ms達到最大值。優(yōu)化后的模型在52.8 ms抽筒速度加快，65.6 ms時刻達到最大抽筒速度。采用優(yōu)化后的抽筒子對原有模型的抽筒特性改變很小。

5 結論

1)凸輪式抽筒子在經(jīng)過結構優(yōu)化分析后，強度提高了31.18%，變形增大了11.22%，質(zhì)量減小了13.50%，最大等效應力由1 407 MPa減小到968 MPa。

2)經(jīng)過優(yōu)化的抽筒子與原始抽筒子的工作特性基本一致，優(yōu)化后抽筒子的最大抽筒速度下降了3.13%，達到最大抽筒速度的時間提前了1.6 ms。

3)利用ABAQUS軟件對凸輪式抽筒子進行拓撲優(yōu)化是可行的，通過優(yōu)化可以顯著改善凸輪式抽筒子的工作環(huán)境，提高工作可靠性。

References)

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StructuralOptimizationAnalysisofCamExtractorsBasedonABAQUS

LIAO Hui1，JIANG Liming2，WANG Gang1，REN Lin1，WEI Songbo1

(1.Mechatronic Engineering College,North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China；2.Chongqing Changfeng Machinery Limited Liability Company， Chongqing 402264,China)

Breechblock extractors are the very important parts during the process of gun extracting, its reliability has directly influence on the combat effectiveness of the gun. To reduce the peak stress of extractors, its topology and shape optimizations were carried out by use of the optimization module of ABAQUS software. For the sake of the validation and the optimization, the extractor was guided into the dynamics model. After two types of optimization, the peak stress of the extractor decreases by 31.2%, its deformation increases by 11.2%, its mass is reduced by 13.5% and the maximum extraction speed decreases by 3.13%. As a result, the optimization improves the reliability of extractors and it has little effect on the extraction process. This research can provide the valuable references for the similar structural design.

elastic-plastic mechanics; extractor; structural optimization; FEA

2014-04-14；

2014-06-25

廖輝(1989-)，男，碩士研究生,主要從事火炮與自動武器仿真。E-mail：liaohuixp@163.com

E924

A

1673-6524(2014)04-0053-05