沖擊載荷作用下抽筒子疲勞壽命預(yù)測與試驗(yàn)驗(yàn)證

胡慧斌，候曉鋒，曹立軍，馬吉勝

（1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；2.石家莊陸軍指揮學(xué)院，河北 石家莊 050084；3.西安軍代局，陜西 西安 710054）

抽筒子是火炮射擊過程中完成抽筒動作的主要部件［1］。在火炮服役過程中，抽筒子經(jīng)常發(fā)生塑性變形，甚至斷裂，導(dǎo)致無法正常抽出藥筒，嚴(yán)重影響了火炮戰(zhàn)斗力的充分發(fā)揮。

疲勞斷裂失效往往是在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過程中突然發(fā)生的，很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，難以實(shí)現(xiàn)有效的預(yù)防性維修［2］。在抽筒過程中，抽筒子封裝在炮尾內(nèi)部，操作人員難以直接觀察和測量工作載荷，而且抽筒子必須在短時(shí)間內(nèi)快速地抽出藥筒，碰撞劇烈。傳統(tǒng)的測試和計(jì)算方法難以直接用于抽筒子失效分析，借鑒經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工判斷誤差較大。因此，如何運(yùn)用科學(xué)的仿真手段分析和預(yù)測抽筒子的疲勞使用壽命，為及時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維修提供決策依據(jù)，是火炮具有良好戰(zhàn)備完好性的重要保證。

1 抽筒過程分析

抽筒子模型如圖1所示，其下方有內(nèi)、外耳軸。外耳軸位于炮尾閂室內(nèi)的抽筒子耳軸室內(nèi)，用于支撐抽筒子，同時(shí)外耳軸外端被抽筒子壓栓前方的缺口卡住。人工關(guān)閂時(shí)，由抽筒子壓栓帶動抽筒子轉(zhuǎn)動，解脫對閂體的限制，閂體上升，閉合炮膛。內(nèi)耳軸置于閂體定形槽內(nèi)，開關(guān)閂過程中，沿著閂體導(dǎo)向槽滑動，并與閂體導(dǎo)向槽的臺階面配合，將閂體固定在開閂位置。抽筒子上端是抽筒子爪，裝填后抵在藥筒的底緣上。

火炮發(fā)射時(shí)，火藥在炮膛內(nèi)燃燒并產(chǎn)生高溫高壓（最大壓力達(dá)400 MPa）的火藥氣體。藥筒在火藥氣體的作用下產(chǎn)生徑向膨脹，緊貼藥室內(nèi)壁，密閉炮膛。復(fù)進(jìn)時(shí)，火炮后坐部分以大約3m／s的速度撞擊開閂板，閂體向下運(yùn)動，待閂體下降即將到位時(shí)，抽筒子滑槽的圓弧段迫使抽筒子內(nèi)耳軸迅速向前，抽筒子前弧面抵在閂室前壁形成一個活動支點(diǎn)，從而使抽筒子爪迅速向后轉(zhuǎn)動，抽出藥筒。由于抽筒的過程非常短（6－10ms），屬于沖擊載荷作用下的瞬時(shí)碰撞過程，撞擊力大，碰撞劇烈，抽筒子在沖擊載荷的反復(fù)作用下極易發(fā)生疲勞斷裂，從而導(dǎo)致抽筒功能的喪失。從部隊(duì)統(tǒng)計(jì)和調(diào)研情況來看，抽筒子的主要失效模式是抽筒子斷裂，且抽筒子爪的斷口具有典型的疲勞斷口特征。筆者以抽筒子爪折斷這一典型的沖擊疲勞破壞為研究對象，研究沖擊載荷作用下基于協(xié)同仿真的疲勞壽命預(yù)測技術(shù)。

2 載荷譜的獲取

進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測與疲勞可靠性分析的首要問題是如何確定施加于零部件上的載荷譜。為了能夠準(zhǔn)確地分析和預(yù)測抽筒子的疲勞壽命，必須采集該部件在工作過程中的載荷－時(shí)間歷程。由于抽筒過程時(shí)間短，沖擊力大，抽筒子封裝在炮尾內(nèi)部，難以采用傳統(tǒng)的測量手段獲取抽筒子的載荷譜。虛擬樣機(jī)為再現(xiàn)火炮射擊過程中的抽筒動作和進(jìn)行動力學(xué)分析提供了有效的途徑。

2.1 虛擬樣機(jī)的建立

為了能夠真實(shí)地再現(xiàn)抽筒過程、準(zhǔn)確地測量抽筒子工作時(shí)的載荷譜，在Pro／E 和ADAMS 環(huán)境下，基于多體系統(tǒng)動力學(xué)，建立火炮炮閂系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，虛擬樣機(jī)如圖2所示。對其射擊過程進(jìn)行仿真［3－4］。虛擬樣機(jī)建立流程如圖3所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，利用三維實(shí)體建模軟件Pro／E建立火力系統(tǒng)的實(shí)體模型，添加零部件的固有信息，如密度、尺寸、材料和熱處理等，并在Pro／E 中進(jìn)行初步裝配，通過Pro／E與ADAMS之間的無縫接口軟件Mechanism／Pro，將Pro／E模型導(dǎo)入ADAMS，添加約束和力，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，驗(yàn)證虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性，不斷進(jìn)行修正和完善，直至誤差在允許的范圍內(nèi)。

2.2 虛擬樣機(jī)的校核

為了驗(yàn)證虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性，可以在保證試驗(yàn)條件與虛擬樣機(jī)仿真條件一致的情況下，從定性和定量兩個方面驗(yàn)證虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性。定性校核主要包括：

1）觀察虛擬樣機(jī)各機(jī)構(gòu)的動作順序和方式是否與實(shí)裝一致。

2）觀察對稱零部件的受力與運(yùn)動是否一致。

3）運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真結(jié)果是否與工程實(shí)際相符合。

定量校核需要設(shè)定與實(shí)裝試驗(yàn)相同的仿真條件，如：當(dāng)射角為0°，裝藥為全裝藥時(shí)，基于虛擬樣機(jī)得到的火炮后坐部分位移和速度曲線如圖4所示。

選取圖4曲線中關(guān)鍵參數(shù)的特征值（后坐部分的最大位移xmax和曲柄與開閂板碰撞時(shí)后坐部分的復(fù)進(jìn)開閂速度vh）進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比

后坐部分最大位移和復(fù)進(jìn)開閂速度仿真值與理論值之間的相對誤差均在5%范圍內(nèi)，可以反映實(shí)裝的靜態(tài)和動態(tài)特性，完全能夠滿足工程應(yīng)用的需要。

2.3 載荷譜的獲取

在圖2所示的虛擬樣機(jī)中，對抽筒過程進(jìn)行仿真，得到火炮射擊過程中抽筒子的載荷譜，如圖5所示。第1個凸起是火炮射擊時(shí)，在火藥氣體的作用下藥筒膨脹，部分密閉炮膛的力作用在抽筒子上；第2個凸起是開閂過程中，抽筒子向后轉(zhuǎn)動，快速地抽出藥筒時(shí)所受的力。

3 抽筒子疲勞壽命預(yù)測流程

采用傳統(tǒng)的疲勞壽命估算方法（如名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法等），對沖擊載荷作用下抽筒子的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算不但難度大，而且任務(wù)量也很大［5］。為此，基于三維實(shí)體建模軟件Pro／E、動力學(xué)分析與仿真軟件ADAMS、有限元分析軟件ABAQUS和疲勞分析軟件Designlife建立了基于協(xié)同仿真的疲勞壽命預(yù)測流程，如圖6所示。

1）建立虛擬樣機(jī)，進(jìn)行動力學(xué)仿真，生成載荷譜和對應(yīng)的DAC數(shù)據(jù)文件。

2）對零部件進(jìn)行有限元分析，得到有限元靜應(yīng)力分析結(jié)果。

3）將載荷譜和有限元靜應(yīng)力分析結(jié)果輸入疲勞分析軟件，進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。

可以看出，要計(jì)算抽筒子危險(xiǎn)部位的疲勞壽命必須基于3 個基本條件：危險(xiǎn)部位的應(yīng)力譜、材料的S－N曲線和危險(xiǎn)部位所承受的動載荷譜。

4 有限元分析

抽筒子有限元分析如圖7所示。

將依據(jù)圖紙建立的抽筒子Pro／E 模型導(dǎo)入ABAQUS，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于抽筒子爪是抽筒子工作過程中受力和失效的主要部位，所以抽筒子爪采用高精度的三維十節(jié)點(diǎn)四面體等參有限元模型［6］，如圖7（a）所示。

根據(jù)抽筒子在抽筒過程中的運(yùn)動規(guī)律和抽筒子爪斷裂的故障特點(diǎn)，將抽筒子邊界條件簡化為固定抽筒子，抽筒力施加在抽筒子爪上，考察抽筒子的強(qiáng)度與壽命，如圖7（b）所示。

在抽筒子受力位置施加單位載荷，使用ABAQUS／Standard進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。圖7（c）是施加單位力后，進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度計(jì)算所得的受力云圖。從圖7（c）中可以看出，抽筒子爪前弧面根部所受的應(yīng)力最大。

5 疲勞壽命預(yù)測

5.1 材料的S－N 曲線

抽筒子材料45CrNiMoVA 在指定存活率下的疲勞壽命如表2所示［7］。

表2 45CrNiMoVA在指定存活率（%）下的疲勞壽命（×103）

在表2中，ap和bp為可靠度N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(shí)的疲勞壽命。

圖8是對45CrNiMoVA 在疲勞極限以下的載荷，應(yīng)用Miner準(zhǔn)則修正后的MM 法則（Modified Miner Rule，簡稱MM 法則），所得到的在雙對數(shù)坐標(biāo)下的lgσ－lgNp曲線。其中線段“1”的斜率為b1，表示在某可靠度下的有限壽命部分，線段“2”是應(yīng)用MM 法則在其它應(yīng)力范圍內(nèi)對S－N曲線的修正結(jié)果。

根據(jù)文獻(xiàn)［7］和公式lgNp＝ap＋bplgσ可以計(jì)算出，當(dāng)存活率為90%時(shí)，lgσ－lgNp曲線在縱坐標(biāo)軸上的截距為

所以可得：σ＝2 829.4MPa

即應(yīng)力范圍為

從而可以計(jì)算出線段“1”的斜率為

線段“1”和線段“2”交點(diǎn)處對應(yīng)的疲勞壽命為

對應(yīng)的應(yīng)力對數(shù)值為

線段“2”的起點(diǎn)坐標(biāo)為（6，2.694 7），終點(diǎn)坐標(biāo)為（7，2.666 5）。因此，線段“2”的斜率為

由此可得45CrNiMoVA 的S－N曲線，如圖9所示。

5.2 疲勞壽命預(yù)測

基于ADAMS建立的虛擬樣機(jī)進(jìn)行動力學(xué)分析與仿真，仿真結(jié)果以DAC 數(shù)據(jù)文件形式導(dǎo)入Designlife中；基于ABAQUS對抽筒子進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果以O(shè)DB 數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)紻esignlife中，建立抽筒子疲勞壽命預(yù)測模型，應(yīng)用Miner線性累積損傷準(zhǔn)則進(jìn)行損傷累積，預(yù)測其疲勞壽命。抽筒子疲勞損傷和壽命云圖如圖10所示?？梢杂?jì)算出，抽筒子最小壽命為39 490次，危險(xiǎn)部位出現(xiàn)在抽筒子爪的前弧面根部，失效形式為疲勞斷裂。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的疲勞壽命預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，針對抽筒子爪斷裂這一故障，設(shè)計(jì)了抽筒子疲勞壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)原理如圖11所示。

試驗(yàn)設(shè)備主要包括JM 壓電石英力傳感器、電壓放大器、動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)（包括信號調(diào)理器、直流電壓放大器、低通濾波器、抗混濾波器和16位A／D 轉(zhuǎn)換器等）、試驗(yàn)臺架、鋼塊（抽筒子材料為鋼）、銅塊（藥筒材料為銅）和連接電纜等。試驗(yàn)裝置如圖12所示。設(shè)置銅塊以不同的自由下落高度，測量銅塊撞擊鋼塊的載荷譜，將測得的撞擊載荷譜與圖4所示的抽筒子載荷譜進(jìn)行比較，可得銅塊撞擊高度為15.5cm 時(shí)，兩種載荷譜的波形、特征值非常相近，由此確定抽筒子疲勞壽命試驗(yàn)的撞擊高度為15.5cm。利用撞擊試驗(yàn)臺進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，經(jīng)過42 400次撞擊后，抽筒子爪斷裂，與仿真結(jié)果39 490次接近，誤差為6.8%，說明本文建立的抽筒子疲勞壽命預(yù)測模型可以用于沖擊載荷作用下不規(guī)則零部件的疲勞壽命預(yù)測。

7 結(jié)論

抽筒子是火炮射擊后抽出藥筒的關(guān)鍵部件，在沖擊載荷的作用下，經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂。為了實(shí)現(xiàn)有針對性的預(yù)防性維修，提出了一種沖擊載荷作用下基于多領(lǐng)域協(xié)同仿真的抽筒子疲勞損傷與壽命預(yù)測方法。在建立虛擬樣機(jī)和進(jìn)行可信性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，獲取抽筒子的載荷譜。結(jié)合有限元靜應(yīng)力分析和材料的S－N曲線，預(yù)測抽筒子的疲勞壽命。設(shè)計(jì)了抽筒子疲勞壽命驗(yàn)證試驗(yàn)裝置，在優(yōu)化碰撞參數(shù)的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了所建立疲勞壽命預(yù)測模型的正確性，為深入開展沖擊載荷作用下機(jī)械零部件疲勞壽命預(yù)測提供了一種有效的技術(shù)途徑。

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