胡 濤，王瑞林，張軍挪，盧海鵬，宋 明

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.解放軍63850 部隊，吉林 白城 137000）

0 引言

相較于傳統(tǒng)的迫擊炮，某新型車載速射迫擊炮具有射速快、機動性強等優(yōu)點，自動機作為該迫擊炮的核心火力部分，一直是研究的重點，但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)射過程涉及的構(gòu)件和約束較多，還有大量的彈簧和碰撞參與其中，因此，很難直接研究其中一些零部件的動力學(xué)特性。高速發(fā)展的各種仿真軟件為此提供了可能，本文采用大型CAD 軟件SOLIDWORKS 和先進的動力學(xué)仿真軟件ADAMS及有限元仿真軟件ANSYS，建立了該炮的剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型，模擬了各個零件之間的實際裝配關(guān)系，更好地貼近了實物，仿真得到了典型部件的動力學(xué)特性結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對關(guān)重件的疲勞壽命進行了分析，發(fā)現(xiàn)自動扳機的疲勞壽命明顯偏低，為提高該火炮的疲勞壽命，需要對影響壽命的關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，目前，廣義簡約梯度法（GRG）［1］、序列二次規(guī)劃算法（SQP）［2］、混沌粒子群優(yōu)化算法（CPSO）［3］等都已經(jīng)應(yīng)用于火炮參數(shù)的優(yōu)化之中。但隨著參數(shù)的增加，優(yōu)化的時間變長，且優(yōu)化算法無法反映單個參數(shù)對系統(tǒng)影響。而采用單因素分析法又無法考慮到各個參數(shù)間的相互作用［4］，而且將最優(yōu)單因素簡單組合難以得到最優(yōu)方案，而正交試驗法不但能夠得到較優(yōu)的設(shè)計方案，還能分析各個因素對整個系統(tǒng)的影響［5］。

1 虛擬樣機的建立

1.1 自動機工作原理

目前，高炮上應(yīng)用自動機比較廣泛，而地炮上則應(yīng)用較少，在迫擊炮上則更少。采用了滑膛方式的迫擊炮其炮彈帶尾翼，形狀復(fù)雜，因此，其自動機具有特殊結(jié)構(gòu)和技術(shù)。

該車載速射迫擊炮采用局部浮動式自由炮閂，剛性炮箱與炮身固定，炮閂在其中來回往復(fù)作復(fù)進和后坐運動，不斷推動彈丸進入身管，彈丸事先已經(jīng)裝填在彈夾里，每一個彈夾可裝填4 發(fā)彈丸，彈夾由人工手動裝填進入炮箱，炮閂運動的同時帶動各種其他機構(gòu)一起動作。由于炮閂自由，因此，擊發(fā)后，主要靠炮閂的慣性形成閉鎖炮膛的作用，圖1和圖2 分別為復(fù)進運動和后坐運動原理圖。

1.2 虛擬樣機模型的建立

圖1 復(fù)進運動

圖2 后坐運動

在ADAMS 中，每一個剛體都有其幾何外形和物理屬性，包括質(zhì)心、質(zhì)量等。對于約束和力來說，外形無關(guān)緊要，但是對于碰撞來說卻至關(guān)重要，因為約束和力都是通過施加在剛體上的點來實現(xiàn)的，而碰撞是兩個剛體之間外形的接觸。因此，對有接觸的樣機模型來說，外形輪廓和尺寸必須精確，但是ADAMS 的三維實體建模功能較弱，因此，本文采用功能強大的大型CAD 軟件SOLIDWORKS 根據(jù)各零件的實際尺寸建立三維實體模型，裝配好之后將裝配體文件保存為Parasolid 標(biāo)準(zhǔn)的xt 文件格式整體導(dǎo)入ADAMS 中。Parasolid 是一種數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，以穩(wěn)定著稱，而且，由于ADAMS 和SOLIDWORKS 都是采用它作為實體建模的內(nèi)核，因此，導(dǎo)入成功率較高。導(dǎo)入之后，在ADAMS 中賦予各個部件的物理屬性并施加約束，采用Impact 非線性等效彈簧接觸法施加接觸［6］，根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道方程，利用Matlab 編程對內(nèi)彈道方程進行求解得到膛壓曲線［7］，然后提取關(guān)鍵點導(dǎo)入到ADAMS 中，利用ADAMS 自帶的工具將這些點的數(shù)據(jù)采用3 次樣條曲線擬合得到一條曲線，通過施加傳感器來控制彈丸的擊發(fā)［8］。在PATRAN 中建立自動機的關(guān)重件自動扳機有限元模型，生成模態(tài)中性文件。MNF 導(dǎo)入ADAMS 中，由于彈殼直徑比炮閂稍小，因此，炮閂穿過彈殼時必定擠壓彈殼使之變形，所以彈殼也必須柔性化，自動扳機和彈殼柔性體如圖3 所示，在ADAMS 中設(shè)置合適的模態(tài)初始條件和阻尼，并施加相應(yīng)的約束，完成剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕ⅲ?］。

圖3 柔性體

ADAMS 自動建立多柔體系統(tǒng)動力學(xué)方程［10］，柔性體的運動方程從下列拉格朗日方程導(dǎo)出：

將求得的T，W，Γ 代入式（1），得到最終的運動微分方程為：

圖4 自動機虛擬樣機模型

1.3 動力學(xué)仿真與驗證

建立好虛擬樣機之后，在0°高低角和方向角、常溫條件下標(biāo)準(zhǔn)裝藥射擊進行動力學(xué)仿真，圖5 和圖6 分別為炮閂的速度和位移曲線，圖7 為輸彈板的速度曲線。

從仿真結(jié)果中得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比如表1 所示，表中L1為炮閂后坐復(fù)進行程，V1為炮閂最大復(fù)進速度，V2為炮閂最大后坐速度，V3為輸彈板最大輸彈速度，t 為四連發(fā)射擊循環(huán)時間。從表1 可以看出，各項參數(shù)的相對誤差均不超過10%，證明所建樣機的可信性，該樣機能夠反映火炮的動態(tài)特性。

圖5 炮閂速度曲線

圖6 炮閂位移曲線

圖7 輸彈板速度曲線

表1 虛擬樣機仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

2 疲勞壽命分析

2.1 疲勞壽命分析理論

采用名義應(yīng)力疲勞分析，因此，必須先得到所分析材料的S-N 曲線，該曲線的一般表達式為［12］：

式中，C 和a 是和材料、應(yīng)力比有關(guān)的參數(shù)；S 是應(yīng)力；N 是結(jié)構(gòu)直到破壞時的壽命。

由于上式是標(biāo)準(zhǔn)計算公式，載荷也是標(biāo)準(zhǔn)的，而在實際問題中，載荷往往是隨機的。因此，采用上述方法時，必須進行修正，實踐中一般采用Goodman平均應(yīng)力修正法［13］，在S-N 曲線基礎(chǔ)上進行修正的公式為：

式中，Sa為等壽命循環(huán)應(yīng)力幅；S-1為材料疲勞極限；Sm為平均應(yīng)力；Su為材料極限強度。

2.2 關(guān)重件疲勞壽命分析

該火炮為連發(fā)速射炮，而實現(xiàn)這一功能尤為關(guān)鍵的一個部件即為自動扳機，后坐部分每次緩沖到位擊發(fā)下一發(fā)炮彈前，都會被自動扳機卡住，待輸彈裝置輸彈到位后才解脫，從而實現(xiàn)每發(fā)炮彈定速地?fù)舭l(fā)，因此，該部件的疲勞壽命尤為關(guān)鍵。表2 為自動扳機的材料參數(shù)，按照圖8 所示的流程進行自動扳機疲勞壽命的分析計算，利用ADAMS 自帶的Durability 模塊將動力學(xué)分析產(chǎn)生的dac 模態(tài)坐標(biāo)文件導(dǎo)入Fatigue 中，該文件包含有疲勞壽命分析所必須的載荷歷程信息。在Fatigue 中關(guān)聯(lián)幾何應(yīng)力應(yīng)變信息、材料信息［14-15］，仿真得到如圖9 所示的壽命云圖。

表2 自動扳機材料參數(shù)

圖8 疲勞壽命分析流程

圖9 自動扳機壽命云圖

由圖9 可以看出，自動扳機的疲勞壽命大概為1 150 次，壽命最低處為下方與撥動子接觸轉(zhuǎn)角處，為了節(jié)省仿真時間和資源，在導(dǎo)入模態(tài)坐標(biāo)時只選取了第1 發(fā)的射擊時間，即0～0.45 s 的范圍。因此，該炮在射擊大概1 150 發(fā)迫擊炮彈后該自動扳機將無法正常工作，需更換零件。

3 正交試驗參數(shù)優(yōu)化

正交試驗法選用具有代表性的水平組合進行試驗，通過對結(jié)果分析了解全面試驗情況，得出最優(yōu)組合。正交試驗法具有正交性、代表性和綜合可比性，用正交表設(shè)計的試驗具有均衡分散和整齊可比的特點［4］。正交試驗法設(shè)計流程圖如圖10 所示。

圖10 正交試驗法設(shè)計流程圖

本文正交試驗的目的為提高自動扳機的疲勞壽命，因而需要減小自動扳機所受到的撞擊力，與該力有關(guān)的參數(shù)為：環(huán)形簧預(yù)壓力A（N），環(huán)形簧剛度B（N/mm），復(fù)進簧預(yù)壓力C（N），復(fù)進簧剛度D（N/mm），液壓緩沖器剛度E（N/mm）。因此，本文采用L25（56）正交表，表3 為正交試驗因素水平表。

表3 因素水平表

依據(jù)表3 進行仿真試驗，得到下頁表4 所示的直觀分析表。由表4 可以看出：1）影響自動扳機撞擊力的因素主次關(guān)系依次為：復(fù)進簧剛度、復(fù)進簧預(yù)壓力、環(huán)形簧剛度、環(huán)形簧預(yù)壓力、液壓緩沖器剛度。相較而言，復(fù)進簧剛度、復(fù)進簧預(yù)壓力對撞擊力影響的差別不大，但遠遠大于環(huán)形簧剛度、環(huán)形簧預(yù)壓力和液壓緩沖器剛度的影響。2）自動扳機撞擊力最小參數(shù)組合為：A2、B3、C5、D4、E4。此組合并不在上表25 次試驗中，這恰好體現(xiàn)了正交試驗具有代表性，能大大減少試驗次數(shù)的優(yōu)點。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

4.1 優(yōu)化結(jié)果驗證

將相關(guān)參數(shù)按照上述結(jié)果進行設(shè)定，然后仿真分析，優(yōu)化前后自動扳機所受撞擊力如下頁圖11所示。

由圖11 可以看出，優(yōu)化后自動扳機所受撞擊力最大幅值由69.2 KN 減小為43.6 KN，并且該值低于表4 中25 組實驗的最低值45.5 KN（試驗13），說明參數(shù)組合為A2、B3、C5、D4、E4 的組合即為最終的最優(yōu)組合。

表4 直觀分析表

圖11 自動扳機優(yōu)化前后所受撞擊力

4.2 優(yōu)化后的疲勞壽命

依據(jù)圖8 的流程，將優(yōu)化后的自動扳機模態(tài)坐標(biāo)導(dǎo)入FATIGUE 中進行疲勞壽命的計算，得到如圖12 所示的壽命云圖。

圖12 優(yōu)化后自動扳機的壽命云圖

由圖12 可以看出，優(yōu)化后的自動扳機疲勞壽命最低處位置沒有改變，這是因為載荷的作用位置沒有改變，但是疲勞壽命已經(jīng)提高到4 940 次了，關(guān)重件壽命提高了約3 790 次，優(yōu)化后的疲勞壽命約為優(yōu)化前的4.3 倍，進一步表明優(yōu)化后關(guān)重件的疲勞壽命提高較多，優(yōu)化效果明顯。

5 結(jié)論

本文基于正交試驗法對某車載速迫的關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)化，分析對比了優(yōu)化前后關(guān)重件的疲勞壽命，得出以下結(jié)論：1）正交試驗法可以用于該火炮的參數(shù)優(yōu)化，并且方法原理簡單，操作方便，優(yōu)化后得到了較為理想的結(jié)果，顯著提高了該自動機關(guān)重件的疲勞壽命，為其他同類裝備的參數(shù)優(yōu)化指明了思路。2）對該關(guān)重件來說，復(fù)進簧剛度和復(fù)進簧預(yù)壓力對其疲勞壽命的影響尤為顯著，因此，在對該裝備進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時應(yīng)重點考慮復(fù)進簧剛度和復(fù)進簧預(yù)壓力參數(shù)的優(yōu)化，而環(huán)形簧剛度、環(huán)形簧預(yù)壓力和液壓緩沖器剛度對其疲勞壽命影響較小，尤其是液壓緩沖器剛度影響很小。