馬增祥，張均法，史俊青，衣東龍，李青澤，趙玉玲

（山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司軍品研究所，山東淄博255201）

基于疲勞失效的壓藥沖頭結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

馬增祥，張均法，史俊青，衣東龍，李青澤，趙玉玲

（山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司軍品研究所，山東淄博255201）

壓藥沖頭疲勞損傷后會(huì)破壞均力壓制，可能致使裝藥局部壓力升高。應(yīng)力的急劇升高，增加壓裝爆燃的概率。為提高壓裝的安全性，使用有限元方法研究壓藥沖頭結(jié)構(gòu)對疲勞壽命的影響，得出壓藥沖頭止端部參數(shù)直徑D、臺(tái)高H以及肩部內(nèi)圓角R設(shè)計(jì)與疲勞壽命相關(guān)的結(jié)論。在給出疲勞壽命隨止端部幾何尺寸參數(shù)的變化規(guī)律的同時(shí)，結(jié)合彈體尺寸和工藝要求，進(jìn)而優(yōu)化壓藥沖頭止端部結(jié)構(gòu)，提出滿足疲勞壽命要求壓藥沖頭尺寸。

壓裝；壓藥沖頭；結(jié)構(gòu)參數(shù)；疲勞破壞；有限元分析

0　引言

壓裝是將散粒體炸藥壓成一定形狀、密度、機(jī)械強(qiáng)度的藥柱或裝藥。壓藥時(shí)，炸藥將承受著數(shù)千大氣壓的靜壓并可能引起爆燃。能夠引起壓裝發(fā)生爆燃的原因很多［1］，比如炸藥中混入了堅(jiān)硬的雜質(zhì)，如砂子、小石子、玻璃渣或金屬屑等，另外，模具互啃、群壓藥量稱量錯(cuò)誤、壓藥的加載速度太快、壓裝炸藥的預(yù)熱溫度過高、模具的清潔問題、壓藥環(huán)境等，也會(huì)引起爆燃。其中重要的原因之一是，裝藥在壓制過程中局部的應(yīng)力很高，可能導(dǎo)致熱點(diǎn)的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致爆燃。因?yàn)槠趯?dǎo)致的破壞屬于突然性的脆性斷裂，壓藥沖頭發(fā)生疲勞失效后，破壞了均力壓制，致使裝藥局部壓力升高，應(yīng)力的急劇升高，增加了壓裝爆燃的概率。

文獻(xiàn)［2］報(bào)道，機(jī)械零件的破壞有50% ～90%為疲勞破壞。因此，制作成型藥柱與實(shí)現(xiàn)彈體裝藥的關(guān)鍵零件——壓藥沖頭的疲勞失效不僅僅關(guān)乎其工作使用壽命、裝藥質(zhì)量與生產(chǎn)進(jìn)度，它對產(chǎn)品的裝藥工藝的安全性有直接影響。

目前國內(nèi)壓裝工藝的安全技術(shù)中，對壓藥沖頭的疲勞失效后所產(chǎn)生的壓裝安全問題，以及壓藥沖頭結(jié)構(gòu)形式與疲勞破壞關(guān)聯(lián)性研究不多，國外對壓藥沖頭的疲勞破壞研究文獻(xiàn)報(bào)道很少。為提高炸藥壓裝工藝的安全性，避免疲勞破壞對壓裝安全性所產(chǎn)生的影響，可利用試驗(yàn)法，對一定結(jié)構(gòu)形式的壓藥沖頭進(jìn)行材料性能檢測及疲勞試驗(yàn)，將預(yù)測壽命和試驗(yàn)壽命進(jìn)行對比，得到疲勞參數(shù)估算［3］以及P-S-N曲線［4］。試驗(yàn)法周期長、費(fèi)用高，而使用有限元方法，研究壓藥沖頭結(jié)構(gòu)對疲勞壽命的影響省時(shí)與低廉，能給出壓藥沖頭疲勞壽命隨止端部臺(tái)階高度、直徑以及倒圓半徑的變化規(guī)律，并能結(jié)合彈體尺寸和工藝要求，優(yōu)化壓藥沖頭止端部結(jié)構(gòu)，提出滿足疲勞壽命要求的沖頭尺寸。

1　沖頭材料性能條件假設(shè)

機(jī)械零件疲勞失效與零件結(jié)構(gòu)、原材料缺陷、機(jī)械加工、受力過大等因素有關(guān)［5］。壓藥沖頭技術(shù)要求通常規(guī)定:內(nèi)部組織無缺陷，須經(jīng)無損探傷檢查合格；外部表面部位工作尺寸配合精度、粗糙度、硬度需合乎設(shè)計(jì)要求。

為研究壓藥沖頭疲勞破壞現(xiàn)象，使用某產(chǎn)品所用的合格壓藥沖頭作為研究對象，并做如下假設(shè):

1）其材料的化學(xué)成分符合GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求；

2）相同批次材料和工藝條件生產(chǎn)的壓藥沖頭，金相組織一致，符合壓藥模具相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

2　有限元數(shù)值分析

2.1壓藥沖頭結(jié)構(gòu)

壓藥沖頭結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)引部、圓柱部、止端部組成，3D結(jié)構(gòu)及2D幾何尺寸見圖1。

圖1　壓藥沖頭結(jié)構(gòu)及尺寸Fig.1　Structure and geometric dimension of the pressing punch

壓藥沖頭結(jié)構(gòu)的導(dǎo)引部、圓柱部是由彈體尺寸和工藝要求所決定的，止端部組成通常是由壓藥工裝的裝配要求所決定的。

2.2壓藥沖頭設(shè)計(jì)參數(shù)

壓藥沖頭材料為Cr12MoV［6］，經(jīng)熱處理后，硬度HRC 50～55，極限強(qiáng)度σb≥1 665 MPa，楊氏模量為206 GPa，泊松比為0.27，裝藥比壓為200 MPa。壓藥沖頭承受等幅載荷F=124 t。

2.3疲勞分析有限元模型

將壓藥沖頭承受等幅載荷F加載于壓藥沖頭上、下端，把壓藥沖頭視作為空間上自由懸浮的結(jié)構(gòu)，不考慮位移約束，并賦予模型材料屬性。因?yàn)槠诜治鲋荒苁褂脤?shí)體單元，所以建立3D壓藥沖頭有限元計(jì)算模型（圖2）。

2.4失效準(zhǔn)則

所分析的壓藥沖頭材料為優(yōu)質(zhì)合金鋼，熱處理后出現(xiàn)脆性行為，因?yàn)樽畲罄瓚?yīng)力理論很好地解釋了脆性材料在最大拉應(yīng)力所在截面的斷裂現(xiàn)象。為此強(qiáng)度分析的失效屈服準(zhǔn)則為最大拉應(yīng)力理論。

圖2　壓藥沖頭疲勞分析有限元模型Fig.2　Finite element fatigue analysis model of pressing punch

最大拉應(yīng)力理論認(rèn)為導(dǎo)致破壞的主要原因是最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度即導(dǎo)致斷裂，即

其中:σequ為等效應(yīng)力，σ1為最大拉應(yīng)力。壓藥沖頭熱處理后可視為脆性材料，取安全系數(shù)［7］，n=3，［σ］=0.333σb=555 MPa。

2.5疲勞分析參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品制造與驗(yàn)收技術(shù)文件所規(guī)定的裝藥彈體驗(yàn)收組數(shù)量N=1201～3200發(fā)，確定壓藥沖頭使用壽命（所需強(qiáng)度）為5個(gè)批次數(shù)量，5N= 1.6×104次。

壓裝用沖頭疲勞是指，沖頭在低于靜態(tài)極限強(qiáng)度荷載的連續(xù)重復(fù)荷載的作用下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到某定值時(shí)發(fā)生斷裂破壞的現(xiàn)象。影響疲勞壽命的因素很多，包括荷載類型、元件尺寸、表面光潔度、表面處理工藝、材料的內(nèi)部缺陷等。為進(jìn)行疲勞分析，設(shè)定如下分析參數(shù)［8］:

1）材料為含鐵類型，沖頭材料的拉伸極限應(yīng)力σ=555 MPa。

2）疲勞計(jì)算采用統(tǒng)一材料法則（UML）。

3）與裝藥接觸的表面，沖頭表面粗糙度為拋光。

4）失效強(qiáng)度衰減因子。失效強(qiáng)度衰減因子是用來降低應(yīng)力集中區(qū)域的疲勞強(qiáng)度極限，該值與零件尺寸、荷載類型、表面光潔度（包括表面處理）、表面刻痕等有關(guān)。如果以Csize表示零件尺寸影響系數(shù)，Cload表示荷載類型影響系數(shù)，Csurf表示表面光潔度影響系數(shù)，Cnotch表示表面刻痕影響系數(shù)，則失效強(qiáng)度減少因子kf的表達(dá)式為:

其中:沖頭直徑為80 mm，Csize=1.189d-0.097= 0.777；考慮載荷工作性質(zhì)，Cload=1.38；考慮沖頭為脆性材料，抑制裂縫增長，Csurf=1.1；Cnotch= 0.8。則kf=1.06。

2.6仿真計(jì)算結(jié)果

1）結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果。

通過條紋方式可以查看3D狀態(tài)下壓藥沖頭最大拉應(yīng)力分布情況（圖3）。亦可以沿xy剖面查看壓藥沖頭最大拉應(yīng)力發(fā)生的位置，Max_stress= 194 MPa，位于壓藥沖頭的止端部（圖4）。

按照最大拉應(yīng)力理論，Max_stress為 194 MPa，小于壓藥沖頭安全極限強(qiáng)度［σ］=555 MPa，壓藥沖頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2）疲勞分析結(jié)果。

疲勞通常多發(fā)生在應(yīng)力比較集中的區(qū)域，如截面突變處。壓藥沖頭疲勞分析結(jié)果見圖5。沖頭疲勞壽命分布表明疲勞損傷發(fā)生在止端部圓角處。沖頭疲勞壽命為102.86，即當(dāng)前所設(shè)計(jì)的壓藥沖頭使用729次，就會(huì)出現(xiàn)問題，其使用壽命不能滿足2個(gè)批次裝藥彈體的需求。

圖3　壓藥3D沖頭最大拉應(yīng)力分布Fig.3　3D stress value distribution of pressing punch

圖4　壓藥沖頭xy剖面最大拉應(yīng)力發(fā)生的位置Fig.4　Maximum stress value position of xy profile of pressing punch

圖5　沖頭疲勞壽命分布Fig.5　Fatigue life distribution of punch

2.7結(jié)構(gòu)參數(shù)對疲勞的影響

由于受彈體藥室?guī)缀蔚南拗?，壓藥沖頭結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)引部、圓柱部以及沖頭全長尺寸參數(shù)不能變更。為研究壓藥沖頭止端部幾何（倒圓半徑R、臺(tái)階高度H、直徑D）對疲勞壽命的影響，將圖1b中止端部幾何參數(shù)設(shè)計(jì)獨(dú)立或全部增大5 mm，變更后進(jìn)行疲勞分析，其分析結(jié)果如表1。

表1　壓藥沖頭止端部設(shè)計(jì)參數(shù)對疲勞的影響Table1　Effects of design parameters of the pressing punch end on fatigue

由表1可知:

1）將直徑R由8 mm變更為13 mm，最大拉應(yīng)力為181 MPa，較原模型有所降低，沖頭使用1649次，使用壽命增加，提高幅度比1646/729=2.6。

2）將臺(tái)高H由20mm變更為30mm，最大拉應(yīng)力為160 MPa，較原模型有所降低，沖頭使用1027次，使用壽命增加，提高幅度比1027/729=1.4。

3）將直徑D由138mm變更為143mm，最大拉應(yīng)力為219 MPa，較原模型有所增加，沖頭使用512次，使用壽命減少，降低幅度比512/729=0.7。

4）將R、H、D分別變更為13、30、143 mm，最大拉應(yīng)力為166 MPa，較原模型有所降低，沖頭使用2048次，使用壽命增加，提高幅度比為2 048/ 729=2.8。

通過改變以上壓藥沖頭止端部結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行疲勞分析，可以得到如下結(jié)果:

1）沖頭止端部臺(tái)階倒圓R、臺(tái)高H與疲勞壽命成正相關(guān)，直徑D與疲勞壽命成負(fù)相關(guān)；

2）止端部所有參數(shù)都等值加大與疲勞壽命成正相關(guān)；

3）沖頭止端部幾何設(shè)計(jì)參數(shù)與疲勞壽命相關(guān)度，依次為:全體參數(shù)增加、倒圓R、臺(tái)高H、直徑D。

2.8壓藥沖頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于所使用的軟件不支持將疲勞壽命作為設(shè)計(jì)限制參數(shù)，為此不能直接進(jìn)行壓藥沖頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

對所研究的壓藥沖頭已加工完畢，且使用條件既定的壓藥沖頭來講，因?yàn)橛绊憠核帥_頭疲勞壽命的各項(xiàng)因素均已固化，所以可以通過壓藥沖頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化，來反映壓藥沖頭幾何對疲勞壽命的影響。

前已所述，壓藥沖頭最大拉應(yīng)力Max_stress是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斷裂的主要原因，為此，可以將壓藥沖頭Max_stress作為設(shè)計(jì)限制參數(shù)，進(jìn)行壓藥沖頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1）壓藥沖頭2D軸對稱模型。

壓藥沖頭工作時(shí)，所受壓力載荷與約束均呈現(xiàn)幾何對稱性，為此壓藥沖頭有限元模型，可以簡化為2D軸對稱模型，以便于壓藥沖頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化。其載荷與位移約束、材料屬性同3D壓藥沖頭有限元模型一致。壓藥沖頭2D軸對稱有限元計(jì)算模型如圖6所示。

圖6　壓藥沖頭2D軸對稱模型Fig.6　2D axial symmetry model of pressing punch

2）壓藥沖頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

設(shè)計(jì)目標(biāo):質(zhì)量TOTAL-MASS最小化；

設(shè)計(jì)限制:Max_stress＜555 MPa；

設(shè)計(jì)變量:結(jié)合工裝設(shè)計(jì)需求，確定壓藥沖頭止端部參數(shù)R、H、D的變化范圍（表2）。

表2　壓藥沖頭止端部參數(shù)變化范圍Table 2　Range of parameters of pressing punch end　mm

3）壓藥沖頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果。

壓藥沖頭結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化，其2D幾何圖形進(jìn)行變更，如圖7所示。

對優(yōu)化后壓藥沖頭進(jìn)行疲勞分析（圖8），結(jié)果表明，疲勞損傷發(fā)生在導(dǎo)引部圓角處。沖頭疲勞壽命104.34，即沖頭使用22 120次，滿足5個(gè)生產(chǎn)批次的彈體壓藥要求。

3　結(jié)論

1）壓藥沖頭止端部參數(shù)直徑D、臺(tái)高H以及肩部內(nèi)圓角R設(shè)計(jì)與疲勞壽命相關(guān)。

圖7　結(jié)構(gòu)優(yōu)化后2D幾何圖形Fig.7　2D geometry after structural optimization

圖8　優(yōu)化后沖頭疲勞壽命分布Fig.8　Fatigue life distribution after optimization

2）對全長395 mm，裝藥直徑為88 mm的壓藥沖頭，承受等幅載荷124 t，在尺寸參數(shù)容許變更的范圍內(nèi)，當(dāng)止端部直徑D=98 mm、臺(tái)高H= 20 mm、肩部內(nèi)圓角R=5 mm時(shí)，其疲勞壽命達(dá)到最優(yōu)，為22120次，足以滿足5個(gè)批次彈體壓裝。

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Parameter Optimization of Pressing Punch Structure Based on Fatigue Failure

MA Zeng-xiang，ZHANG Jun-fa，SHI Jun-qing，YI Dong-long，LI Qing-ze，ZHAO Yu-ling
（Shandong Special Industry Co.，Ltd.，Shandong Zibo 255201，China）

Fatigue damage of pressing punch will destroy the uniformity of pressing stress and lead to excessive local stress.The dramatic rise of local stress will increase the chance of explosion.In order to improve the safety during press fitting，the effect of pressing punch structure parameters on fatigue life was studied by finite element analysis.It was found that the diameter of punch end D，platform height H and shoulder round angle R had an effect on fatigue life.The change rule of fatigue life with size change of punch end was worked out.Combined with the cannonball size and process requirements，optimized punch size was put forward to satisfy the fatigue life requirement.

press fitting；pressing punch；structural parameter；fatigue failure；finite element analysis

TJ410.5

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.02.003

1673-6214（2016）02-0077-05

2015年12月26日

2016年2月28日

馬增祥（1962年-），男，高級工程師，主要從事彈體裝藥技術(shù)等方面的研究。