楊 雕，劉源遠(yuǎn)，黃少保，寧變芳，劉朋科

(1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099；2.西安昆侖工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043)

中小口徑火炮武器系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間短、火力猛、精度高、毀殲概率高、可對(duì)付多種來(lái)襲目標(biāo)，并可伴隨輕型高機(jī)動(dòng)部隊(duì)實(shí)現(xiàn)快速全域機(jī)動(dòng)，擔(dān)負(fù)伴隨掩護(hù)任務(wù)，承擔(dān)抗擊敵低空、超低空空襲兵器的任務(wù)，末端防御作用非常明顯。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)中小口徑火炮武器系統(tǒng)射速、威力、質(zhì)量、機(jī)動(dòng)性等指標(biāo)要求的不斷提高，其關(guān)重件受力環(huán)境也越發(fā)的惡劣，屬于典型的高沖擊、強(qiáng)振動(dòng)、周期性的復(fù)雜載荷環(huán)境，各零部件可靠性及壽命面臨巨大的挑戰(zhàn)[1-2]。

火炮在射擊時(shí)，身管延伸體與閂體上的閉鎖齒互相配合實(shí)現(xiàn)閉鎖使得身管、閂體和炮尾共同后坐。由于直接承受從藥筒傳遞來(lái)的內(nèi)膛火藥氣體的作用力，身管延伸體成為火炮受力最復(fù)雜、最惡劣和影響因素最多的部件之一。某小口徑火炮身管延伸體在射擊過(guò)程中多次出現(xiàn)累積射彈500發(fā)左右出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致其使用壽命不能滿足使用要求，進(jìn)而影響整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。

針對(duì)上述故障現(xiàn)象，筆者從火藥氣體壓力真實(shí)傳遞路徑著手，首先建立了身管與薄壁藥筒大變形的作用模型，綜合考慮了藥筒彈性及塑性變形、藥筒與藥室內(nèi)壁摩擦力、藥筒及藥室肩部向前的分力等因素對(duì)傳遞給閂體載荷的影響，獲取藥筒底部的約束反力曲線。以此曲線作為輸入載荷，對(duì)身管延伸體進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度計(jì)算，獲得開裂區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。然后對(duì)該位置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)改進(jìn)前后的疲勞裂紋萌生壽命進(jìn)行計(jì)算。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)和疲勞裂紋萌生壽命計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 閂體所受載荷的獲取

傳統(tǒng)的閂體強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，一般忽略藥筒的影響，將作用的閂體上的力Pt直接簡(jiǎn)化為[3]

Pt=ptπd22/4，

(1)

式中：pt為藥室底部火藥燃?xì)獾膲簭?qiáng)；d2為藥筒底部的內(nèi)徑。

而實(shí)際過(guò)程中作用到閂體上的力Ft的傳遞過(guò)程如圖1所示。

火藥氣體作用在藥筒及身管內(nèi)壁，經(jīng)藥筒變形后將載荷傳遞給閂體,由于藥筒質(zhì)量較小，故忽略藥筒慣性力。傳統(tǒng)計(jì)算時(shí)未考慮藥筒彈性及塑性變形、藥筒與藥室內(nèi)壁摩擦力Fs、藥筒及藥室肩部向前的分力FN等因素。因此，傳統(tǒng)的分析計(jì)算方法過(guò)于保守，簡(jiǎn)化到閂體上的力比實(shí)際要偏大[4]。

為獲得更準(zhǔn)確的Ft，對(duì)考慮上述因素的藥筒和身管裝配模型進(jìn)行有限元分析。其中忽略結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱因素，簡(jiǎn)化模型為軸對(duì)稱模型，考慮到藥筒在射擊過(guò)程中的塑性變形，藥筒簡(jiǎn)化為雙線性材料模型，身管簡(jiǎn)化為線彈性材料模型，具體參數(shù)如表1所示。

表1 藥筒身管材料參數(shù)

約束身管和藥筒底面的軸向位移，在藥筒與身管接觸面之間定義標(biāo)準(zhǔn)接觸，并對(duì)身管和藥筒內(nèi)壁施加膛底壓力曲線，身管與藥筒作用模型如圖2所示，膛壓曲線如圖3所示。然后對(duì)模型在整個(gè)膛壓作用過(guò)程中，采用Ansys進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，提取整個(gè)膛壓作用過(guò)程中藥筒底面的支反力，即為射擊過(guò)程中閂體上所受的載荷，如圖4所示。

從計(jì)算結(jié)果看出，最大膛壓時(shí)刻，藥筒傳遞給閂體的最大載荷為296.19 kN，比傳統(tǒng)計(jì)算的載荷371.23 kN約小20%.

2 身管延伸體動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及疲勞壽命計(jì)算

2.1 身管延伸體動(dòng)態(tài)強(qiáng)度計(jì)算

為使計(jì)算過(guò)程與實(shí)際工況相符，以后坐部分為研究對(duì)象，其中取身管后端局部、身管延伸體和閂體為真實(shí)結(jié)構(gòu)，其余部分簡(jiǎn)化為同等質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)綁定在相應(yīng)位置處，以確保后坐部分的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同。

緩沖器簡(jiǎn)化為彈簧施加到身管延伸體與緩沖器連接位置，彈簧剛度1 100 N/mm，預(yù)壓力21 kN.身管、身管延伸體和閂體之間按照實(shí)際作用關(guān)系定義標(biāo)準(zhǔn)接觸。并在身管延伸體與搖架接觸的導(dǎo)軌接觸面上分別施加垂直及左右方向位移約束。模型采用高階二次單元，對(duì)重點(diǎn)關(guān)心位置進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，如圖5所示。身管延伸體和閂體的材料相同，根據(jù)拉伸試驗(yàn)所獲得的材料屈服及強(qiáng)度極限，將材料簡(jiǎn)化為雙線性模型，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，其他參數(shù)如表1所示。閂體受力曲線如圖4所示，施加在閂體與藥筒底接觸位置的表面[5-6]。

對(duì)上述模型在后坐過(guò)程時(shí)間內(nèi)進(jìn)行求解，最大等效應(yīng)力時(shí)刻身管延伸體局部等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7～8所示。身管延伸體出現(xiàn)最大等效應(yīng)力的時(shí)間為1.214 ms.

通過(guò)計(jì)算可以看出身管延伸體最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置(閉鎖齒根部和讓彈槽邊緣)，與實(shí)際過(guò)程中一定發(fā)數(shù)后出現(xiàn)裂紋的位置相同。

2.2 身管延伸體疲勞裂紋萌生壽命計(jì)算

結(jié)構(gòu)疲勞裂紋萌生壽命的研究方法主要有疲勞損傷累計(jì)理論、名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、臨界平面法和能量法等。局部應(yīng)力應(yīng)變法是在大應(yīng)變、高應(yīng)力占主導(dǎo)地位的低周疲勞基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的壽命估算方法，決定構(gòu)件壽命的是應(yīng)力集中處的最大局部應(yīng)力和應(yīng)變。身管延伸體受到的射擊載荷作用，類似脈動(dòng)交變的疲勞載荷，具有大應(yīng)變、高應(yīng)力低周疲勞的特征，因此采用局部應(yīng)力應(yīng)變法進(jìn)行疲勞裂紋萌生壽命分析，其交變載荷的循環(huán)特性r=0[7～11].該方法認(rèn)為：若同種材料制成的構(gòu)件的危險(xiǎn)部位的應(yīng)力-應(yīng)變歷程與一個(gè)光滑小試件的應(yīng)力-應(yīng)變歷程相同，則壽命相同，此方法中局部應(yīng)力和應(yīng)變是控制參數(shù)。采用局部應(yīng)力應(yīng)變法進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算，首先計(jì)算疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變歷程，然后對(duì)照材料的疲勞性能數(shù)據(jù)，按照疲勞累積損傷理論進(jìn)行循環(huán)續(xù)循環(huán)的疲勞損傷的累積，最后得到構(gòu)件的疲勞壽命。

Manson-Coffin法是廣泛應(yīng)用的局部應(yīng)力應(yīng)變法之一，Manson-Coffin公式如下：

(2)

基于2.1節(jié)身管延伸體動(dòng)態(tài)強(qiáng)度計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)其疲勞裂紋萌生壽命進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中考慮了不同表面粗糙度對(duì)疲勞裂紋萌生壽命的影響。由于表面粗糙相當(dāng)于表面有侵入、擠出和形成微觀應(yīng)力集中，因此縮短了疲勞裂紋形成壽命，降低了疲勞強(qiáng)度，并且對(duì)于強(qiáng)度極限越高的材料，其延性往往越差，對(duì)缺陷也就越敏感，故對(duì)不同表面粗糙度進(jìn)行對(duì)比。不同表面加工系數(shù)β對(duì)壽命的影響表示為某種情況試樣的疲勞極限與光滑試樣疲勞極限的比值，β為小于1的系數(shù)。因此根據(jù)不同粗糙度獲得表面加工系數(shù)，從而計(jì)算出不同粗糙度下的壽命[17]，具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 身管延伸體疲勞裂紋萌生壽命

通過(guò)計(jì)算可以看出：

1)讓彈槽邊緣的疲勞裂紋萌生壽命低于閉鎖齒，且讓彈槽部位的疲勞裂紋萌生壽命與實(shí)彈射擊統(tǒng)計(jì)的閉鎖齒、讓彈槽開裂的射擊發(fā)數(shù)(500發(fā)左右)基本相同。

2)雖然不同的表面粗糙度對(duì)身管延伸體疲勞裂紋萌生壽命有一定的影響，但是對(duì)于該壽命不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，表面粗糙度不是主要影響因素。

故需依靠上述結(jié)果重新對(duì)身管延伸體進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 身管延伸體改進(jìn)設(shè)計(jì)及計(jì)算

根據(jù)原身管延伸體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和疲勞裂紋萌生壽命計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行閉鎖齒根部和讓彈槽邊緣改進(jìn)設(shè)計(jì)。對(duì)身管延伸體閉鎖齒根部采取溝槽設(shè)計(jì)，并改變閉鎖齒的倒角大小，以降低其應(yīng)力；對(duì)讓彈槽進(jìn)行根部加厚。改進(jìn)前后身管延伸體閉鎖齒和讓彈槽布局結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)采取與第2節(jié)相同的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和疲勞裂紋萌生壽命計(jì)算，其中表面粗糙度取1.6 μm,與實(shí)際相同。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，改進(jìn)后閉鎖齒局部最大等效應(yīng)力由原來(lái)的1 538.5 MPa降低到1 379.1 MPa，讓彈槽局部最大等效應(yīng)力由原來(lái)的1 509.9 MPa降低到866.87 MPa，均有很大的改善。疲勞裂紋萌生壽命結(jié)果如表3所示。

表3 改進(jìn)前后身管延伸體疲勞裂紋萌生壽命比較

從表3可以看出，改進(jìn)后身管延伸體疲勞裂紋萌生壽命有非常明顯的提高。閉鎖齒部位壽命由原來(lái)的604發(fā)提高到4 278發(fā)，讓彈槽邊緣部位的壽命由原來(lái)的506發(fā)提高到4 142發(fā)。

4 身管延伸體沖擊試驗(yàn)

對(duì)改進(jìn)前后的身管延伸體進(jìn)行模擬沖擊試驗(yàn)，由于火炮發(fā)射過(guò)程是把火藥存儲(chǔ)的能量在非常短的時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)，時(shí)間和力方面都很難控制，采用沖擊的方式完全模擬火炮的射擊過(guò)程是不可能實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)沖擊試驗(yàn)裝置給火炮施加一個(gè)與射擊時(shí)后坐沖量大小一致的沖量。由于沖量由作用力和作用時(shí)間確定，測(cè)量沖擊作用下火炮的后坐位移-時(shí)間曲線，并對(duì)其求導(dǎo)得到后坐速度-時(shí)間曲線，通過(guò)調(diào)整落錘的質(zhì)量和高度，使得模擬沖擊試驗(yàn)的最小沖量不小于最大膛壓點(diǎn)附近的沖量，即可保證模擬沖擊試驗(yàn)實(shí)際施加到火炮的作用力不小于炮膛合力。沖擊試驗(yàn)裝置如圖10所示。

將整個(gè)后坐部分裝入沖擊試驗(yàn)裝置，使沖擊后后坐部分按照實(shí)際射擊過(guò)程在緩沖器的作用下進(jìn)行后坐和復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)改進(jìn)前后的身管延伸體進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，每沖擊100次進(jìn)行一次磁力探傷。改進(jìn)前的身管延伸體在第500次沖擊結(jié)束后未發(fā)現(xiàn)裂紋，在600次沖擊結(jié)束后讓彈槽邊緣有長(zhǎng)度約為2 mm的裂紋。改進(jìn)后的身管延伸體在第4 400次沖擊后探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋，在第4 500次沖擊后讓彈槽邊緣出現(xiàn)長(zhǎng)度約1.5 mm的裂紋。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，改進(jìn)后壽命提升效果明顯。對(duì)改進(jìn)后的身管延伸體進(jìn)行實(shí)彈射擊，考核其壽命指標(biāo)，結(jié)果表明3 000發(fā)實(shí)彈射擊后身管延伸體未產(chǎn)生疲勞裂紋,滿足該構(gòu)件疲勞壽命不小于2 500發(fā)的指標(biāo)要求。具體對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

筆者針對(duì)某小口徑火炮身管延伸體出現(xiàn)疲勞裂紋的問(wèn)題，提出了傳統(tǒng)閂體受力的不足，并提出新的載荷獲取方法，然后對(duì)該身管延伸體進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度計(jì)算。在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋萌生壽命進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性。主要結(jié)論包括：

1)傳統(tǒng)方法獲得的閂體受力偏于保守，若考慮藥筒與身管間的作用，可降低約20%.

2)表面粗糙度對(duì)身管延伸體疲勞裂紋萌生壽命有一定的影響，但不是造成壽命不足的最主要因素。

3)改進(jìn)后的身管延伸體疲勞裂紋萌生壽命大幅度提高，相比與改進(jìn)前提高了約8.2倍，滿足指標(biāo)要求。

4)通過(guò)沖擊試驗(yàn)以及部分實(shí)彈射擊驗(yàn)證了身管延伸體動(dòng)態(tài)強(qiáng)度計(jì)算以及疲勞裂紋萌生壽命的準(zhǔn)確性。疲勞裂紋萌生壽命的計(jì)算與沖擊試驗(yàn)的最大誤差約為7.9%.