楊高偉，王惠源，黃少保，王志杰

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院， 太原 030051；2.西安昆侖工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司， 西安 710000)

轉(zhuǎn)管武器主要利用其高射速、高密集度、高可靠性應(yīng)用于現(xiàn)代空戰(zhàn)及近程防空反導(dǎo)作戰(zhàn)。機心作為轉(zhuǎn)管武器的一個重要部件在工作時反復(fù)承受膛底火藥燃氣的壓力，其工作環(huán)境惡劣，容易出現(xiàn)強度破壞和疲勞破壞。因此分析機心強度和疲勞壽命對于武器可靠性和安全性很有必要。

很多學(xué)者對武器機心進行了強度和疲勞壽命分析。文獻[1]利用有限元分析軟件Ansys，建立了機芯應(yīng)力分析的有限元仿真模型，通過仿真得到了機芯在膛壓最大時的應(yīng)力分布云圖。文獻[2]中應(yīng)用解析與數(shù)值模擬方法，對閂體裂紋形成階段的壽命和擴展階段的壽命進行了分析計算并對閂體疲勞裂紋形成的影響因素進行了分析。文獻[3]中在仿真載荷譜和有限元靜應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合材料的S-N曲線，建立了抽筒子疲勞損傷與壽命預(yù)測模型，得到其危險部位的最小壽命。文獻[4]中基于閉鎖齒切向力和徑向力的載荷譜、靜強度結(jié)果和45CrNiMoVA材料的S-N疲勞壽命曲線，由Designlife進行協(xié)同仿真預(yù)測小閉鎖齒的疲勞壽命。文獻[5]中對影響自動武器關(guān)鍵要素的閉鎖機構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力進行了研究和分析。

學(xué)者們對于回轉(zhuǎn)式機心研究較多，但對于閉鎖塊偏轉(zhuǎn)式機心研究較少。本研究利用有限元分析軟件對某閉鎖塊偏轉(zhuǎn)式機心進行強度分析，提出減小應(yīng)力集中程度的結(jié)構(gòu)改進方法，并對改進結(jié)構(gòu)進行強度校核和疲勞壽命分析，得出一套切實可行的分析閉鎖塊偏轉(zhuǎn)式機心的方案，為閉鎖塊偏轉(zhuǎn)式機心的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定參考。

1 閉鎖塊偏轉(zhuǎn)式機心

閉鎖塊偏轉(zhuǎn)式機心三維模型如圖1所示。機心由主滾輪、導(dǎo)桿頭、導(dǎo)桿頭銷、導(dǎo)桿、側(cè)滾輪軸、閉鎖塊、閉鎖塊軸、側(cè)滾輪、機體組成。主滾輪繞導(dǎo)桿頭轉(zhuǎn)動，導(dǎo)桿頭銷將導(dǎo)桿和導(dǎo)桿頭連在一起，閉鎖塊軸將導(dǎo)桿和閉鎖塊連在一起，閉鎖塊圓弧端與機體下方的圓弧端為面接觸且兩圓弧面軸線同軸。炮膛合力作用方向平行于自動機回轉(zhuǎn)中心同時垂直于抓殼鉤彈底窩鏡面。

開鎖凸輪與閉鎖凸輪均固定在炮箱上。開閉鎖動作示意圖如圖2：機心沿凸輪曲線槽運動完成推彈入膛動作至前直線段部分，在自動機回轉(zhuǎn)過程中，閉鎖凸輪下壓導(dǎo)桿頭并通過主滾輪和導(dǎo)桿使閉鎖塊向下進入節(jié)套的閉鎖槽中，使機心處于閉鎖狀態(tài)，閉鎖狀態(tài)示意圖如圖3。閉鎖完成后，擊發(fā)機構(gòu)擊發(fā)炮彈，膛壓降為安全開鎖壓力后，開鎖凸輪提起主滾輪并通過導(dǎo)桿提起閉鎖塊，閉鎖塊退出閉鎖槽使機心開鎖，繼續(xù)完成抽殼動作。

1.主滾輪；2.導(dǎo)桿頭；3.導(dǎo)桿頭銷；4.導(dǎo)桿；5.側(cè)滾輪軸；6.閉鎖塊；7.閉鎖塊軸；8.側(cè)滾輪；9.機體

1.開鎖凸輪；2.閉鎖凸輪

在閉鎖狀態(tài)時，機心承受較大的載荷，尤其是閉鎖塊和節(jié)套上的閉鎖槽，更容易出現(xiàn)強度破壞，且多次工作容易發(fā)生疲勞破壞。因此對機構(gòu)進行強度的校核、評估和疲勞壽命分析，進而進行合理設(shè)計，使其能夠可靠、安全地工作。

1.閉鎖凸輪；2.導(dǎo)桿頭；3.主滾輪；4.擊發(fā)機構(gòu)；5.閉鎖塊；6.節(jié)套

2 有限元靜強度分析

靜力學(xué)分析是有限元分析的重要基礎(chǔ)，是指在載荷不隨時間變化的情況下，分析結(jié)構(gòu)剛度和強度的問題。

2.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立是有限元分析的基礎(chǔ)。本文建立的有限元模型的分析對象、材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分方法及邊界條件如下：

1) 在本文中，節(jié)套和機心采用炮鋼材料45CrNiMoVA，材料參數(shù)如表1所示。

表1 45CrNiMoVA基本參數(shù)

2) 為了有效地進行有限元建模并減小計算量，取一組機心和其對應(yīng)的節(jié)套閉鎖槽為研究對象。

3) 對節(jié)套和閉鎖塊進行處理，劃分為多部件體，便于后續(xù)網(wǎng)格劃分；為了保證網(wǎng)格的質(zhì)量，主要選擇六面體網(wǎng)格，考慮到機體幾何模型的復(fù)雜性，機體采用了四面體網(wǎng)格。

4) 由內(nèi)彈道參數(shù)、內(nèi)彈道理論公式和炮膛合力計算公式，編程得到炮膛合力曲線如圖4所示。

圖4 炮膛合力曲線

火藥燃氣作用的時間非常短，在采用靜力學(xué)分析時，只考慮把最大炮膛合力作為載荷加在機體受力面上，分析在最大炮膛合力作用下的節(jié)套和機心。

2.2 仿真結(jié)果與分析

對節(jié)套和機心有限元模型進行仿真求解，得到節(jié)套應(yīng)力云圖如圖5所示，閉鎖塊應(yīng)力云圖如圖6所示。

從圖5可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在閉鎖槽受力面尖角處，且超過了材料的屈服極限；從圖6可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在閉鎖塊受力面直角邊處，也超過了材料的屈服極限。在閉鎖槽受力面尖角和閉鎖塊受力面直角邊出現(xiàn)了較嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要對結(jié)構(gòu)進行改進來減小應(yīng)力集中程度。

圖5 節(jié)套應(yīng)力云圖

圖6 閉鎖塊應(yīng)力云圖

2.3 結(jié)構(gòu)改進及強度校核

對閉鎖槽及閉鎖塊影響受力狀態(tài)的部位進行倒圓角來減小應(yīng)力集中程度。設(shè)閉鎖槽受力面左右直角邊圓角半徑為r1，閉鎖塊受力面左右直角邊圓角半徑為r2，由機械結(jié)構(gòu)分析知r1≤r2。本文根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸形狀和制造加工的方式，采用15種倒圓角方案進行研究：

1)r1=r2=1 mm；2)r1=1 mm，r2=1.5 mm；3)r1=1 mm，r2=2 mm；4)r1=1 mm，r2=2.5 mm；5)r1=1 mm，r2=3 mm；6)r1=r2=1.5 mm；7)r1=1.5 mm，r2=2 mm；8)r1=1.5 mm，r2=2.5 mm；9)r1=1.5 mm，r2=3 mm；10)r1=r2=2 mm；11)r1=2 mm，r2=2.5 mm；12)r1=2 mm，r2=3 mm；13)r1=r2=2.5 mm；14)r1=2.5 mm，r2=3 mm；15)r1=r2=3 mm。在不改變其他條件的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)進行15種方案的倒圓角，并分別進行靜力學(xué)計算，計算結(jié)果中最大應(yīng)力如表2所示。

由表2可知：① 當閉鎖槽圓角半徑不變時，最大應(yīng)力隨著閉鎖塊圓角半徑的增大呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，這是由兩不同半徑圓角之間的間隙變化造成的；② 兩圓角半徑相同時，兩圓角之間的間隙較小，最大應(yīng)力較大；③ 整體來看，最大應(yīng)力隨著圓角半徑的增大和兩圓角之間間隙的增大而減??；④ 當閉鎖槽圓角半徑為2.5 mm且閉鎖塊圓角半徑為3 mm時最大應(yīng)力最小，應(yīng)力集中程度最小。

表2 不同圓角情況的最大應(yīng)力

閉鎖槽圓角半徑為2.5 mm且閉鎖塊圓角半徑為3 mm時，部件應(yīng)力云圖如圖7所示。從圖7(a)、圖7(b)可以看出，節(jié)套的最大應(yīng)力出現(xiàn)在閉鎖槽受力面的一條邊上，閉鎖塊的最大應(yīng)力出現(xiàn)在閉鎖面上，均沒有超過材料的屈服極限，且節(jié)套和閉鎖塊的受力狀況均有明顯改善，應(yīng)力集中程度大幅減小。從圖7(c)可以看出，最大應(yīng)力小于材料的屈服極限，出現(xiàn)在機體上與閉鎖塊接觸的圓弧面，表明炮膛合力通過圓弧接觸面從機體傳遞到閉鎖塊。從圖7(d)可以看出，最大應(yīng)力遠小于材料屈服極限，靠近機頭的側(cè)滾輪和側(cè)滾輪軸受力較大，符合實際情況。

圖7 部件應(yīng)力云圖

2個結(jié)構(gòu)方案有限元分析結(jié)果對比如表3所示，對閉鎖槽和閉鎖塊倒圓角后，節(jié)套閉鎖槽最大應(yīng)力減小17.62%，閉鎖塊最大應(yīng)力減小16.61%。因此，對于嚴重影響受力狀況的部位，根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀進行合理的改進(倒圓角、倒斜角等)可以有效改善受力狀況和應(yīng)力集中程度。

表3 2個結(jié)構(gòu)方案有限元分析結(jié)果對比

3 疲勞壽命分析

在某點或者某些點承受擾動應(yīng)力，并且在多次循環(huán)擾動充分作用以后產(chǎn)生裂紋或者完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞[6]。材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命[7]。在結(jié)構(gòu)滿足強度指標要求的同時，有必要對節(jié)套和機心的疲勞壽命進行分析和預(yù)估。

在本文所使用的有限元分析軟件中，疲勞模塊拓展程序基于應(yīng)力疲勞理論，適用于高周疲勞，進行疲勞分析是基于線性靜力分析，在線性靜力分析之后通過設(shè)計仿真后自動執(zhí)行[8]，該模塊采用Miner累積疲勞準則，為解決疲勞壽命問題提供了有效途徑[9]。由于機心工作狀態(tài)為高周疲勞狀態(tài)，故用名義應(yīng)力法(S-N法)進行疲勞壽命分析。

3.1 材料的S-N曲線

概率Miner準則認為小于疲勞極限的應(yīng)力引起的損傷為零，但實際中低于疲勞極限的應(yīng)力也會引起損傷，本文采用MM法則修正低于疲勞極限應(yīng)力造成的損傷[10]。

由文獻[11]可得：

lgNp=ap+bplgσ

式中：ap和bp為可靠度p下的材料疲勞參數(shù)；Np表示疲勞應(yīng)力σ作用下可靠度為p時的疲勞壽命。本文分析45CrNiMoVA在95%存活率下的疲勞壽命，此時a95=25.925，b95=-7.450。

圖8為45CrNiMoVA在雙對數(shù)坐標下的lgσ-lgNp曲線。其中線段“1”的斜率為k1，表示在該可靠度下的有限壽命部分，線段“2”的斜率為k2，是應(yīng)用MM法則在無限壽命范圍內(nèi)對S-N曲線的修正結(jié)果，線段“1”和線段“2”交點處對應(yīng)的疲勞壽命為N95=106[3]。

圖8 材料的lgσ-lgNp曲線(應(yīng)用MM法則)

由計算結(jié)果得到S-N疲勞壽命曲線，如圖9所示。

圖9 95%存活率下的S-N曲線

3.2 疲勞壽命預(yù)測

火炮射擊時炮閂受到近似脈動交變的載荷作用，其交變載荷的循環(huán)特性r=0[2]。脈動循環(huán)載荷，是指當施加載荷后又撤除該載荷，發(fā)生的脈動循環(huán)載荷現(xiàn)象[8]。

平均應(yīng)力對構(gòu)件的疲勞壽命影響很大，常用的平均應(yīng)力修正理論有Goodman、Soderberg和Gerber[12]。對45CrNiMoVA材料，采用較為適合的Gerber修正理論[10]。應(yīng)力集中對疲勞強度有顯著影響[13]，疲勞強度因子用來修正實際構(gòu)件的疲勞強度和理論之間的誤差，本文取0.8。

利用疲勞壽命模塊進行計算，結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)可以看出，節(jié)套最小壽命為1.562 7×106次，危險部位出現(xiàn)在閉鎖槽受力面的一條邊上。由圖10(b)可以看出，閉鎖塊最小壽命為4.180 6×106次，危險部位出現(xiàn)在閉鎖塊受力面上。在最大炮膛合力的脈沖作用下，節(jié)套和機心最小壽命均達到了106次量級，節(jié)套和機心壽命較小的部位也是靜力學(xué)分析中應(yīng)力集中程度較大的部位。由圖10(c)可以看出，其他部件最小壽命超過了7×107次。由此可見，疲勞壽命對應(yīng)力的大小是敏感的。

圖10 95%存活率下部件壽命云圖

4 結(jié)論

1) 對于應(yīng)力集中部位，根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀進行合理的改進可以有效改善受力狀況和應(yīng)力集中程度。

2) 部件最大應(yīng)力隨著閉鎖槽、閉鎖塊圓角半徑的增大和兩圓角之間間隙的增大而減小。當閉鎖槽圓角半徑為 2.5 mm 且閉鎖塊圓角半徑為3 mm時，部件應(yīng)力集中程度最小且最大應(yīng)力沒有超過材料的屈服極限，相比無倒圓角的結(jié)構(gòu)，節(jié)套閉鎖槽最大應(yīng)力減小17.62%，閉鎖塊最大應(yīng)力減小16.61%。

3) 在最大炮膛合力的脈沖作用下，節(jié)套和機心最小壽命均超過了106次量級，節(jié)套和機心壽命較小的部位也是靜力學(xué)分析中應(yīng)力集中程度較大的部位，部件最小疲勞壽命大于實際使用壽命，滿足壽命指標。