協(xié)同仿真技術(shù)某轉(zhuǎn)管武器炮閂小閉鎖齒疲勞壽命預(yù)測*

李涌，吳寶雙

（1.海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室，鄭州450015；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州450015）

協(xié)同仿真技術(shù)某轉(zhuǎn)管武器炮閂小閉鎖齒疲勞壽命預(yù)測*

李涌1，吳寶雙2

（1.海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室，鄭州450015；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州450015）

以試驗中某轉(zhuǎn)管武器炮閂小閉鎖齒出現(xiàn)疲勞斷裂為依據(jù)，從定性的角度分析了可能造成疲勞破壞的力源是小閉鎖齒承受的切向力和徑向力。通過理論計算，炮閂在開閉鎖時高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力（屬徑向力）較小，忽略不計，故切向力和徑向力只能是炮閂在供輸彈過程中與彈碰撞產(chǎn)生?；贏DAMS建立供輸彈系統(tǒng)動力學(xué)仿真樣機(jī)，得到切向力和徑向力的載荷譜，基于ABAQUS仿真得到閉鎖齒的靜強(qiáng)度結(jié)果，同時建立45CrNiMoVA材料的S-N疲勞壽命曲線，最后由Designlife進(jìn)行協(xié)同仿真預(yù)測了小閉鎖齒的疲勞壽命，該協(xié)同仿真技術(shù)對工程分析具有一定的參考價值。

協(xié)同仿真，閉鎖齒，載荷譜，S-N曲線，靜強(qiáng)度

0 引言

轉(zhuǎn)管武器主要利用其高射速、高密集度、高可靠性參與現(xiàn)代空戰(zhàn)及近程防空反導(dǎo)。某轉(zhuǎn)管武器炮閂閂體小閉鎖齒在供輸彈過程中主要對彈體起到輔助定位作用，卻在射擊試驗時頻頻出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致射擊循環(huán)無法正常進(jìn)行，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)管武器戰(zhàn)斗力的充分發(fā)揮。

在射擊循環(huán)過程中，炮閂在星形體和炮尾中運(yùn)動，試驗人員難以直接觀察和測量沖擊載荷。傳統(tǒng)的測試和計算方法難以直接用于炮閂失效分析，依據(jù)經(jīng)驗判斷不夠準(zhǔn)確。因此，如何進(jìn)行理論分析及運(yùn)用科學(xué)的仿真手段來解釋小閉鎖齒的斷裂及預(yù)測其疲勞壽命，為炮閂的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論參考。

文獻(xiàn)［1］對沖擊載荷作用下抽筒子疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測，基于協(xié)調(diào)仿真得到載荷譜及危險部位應(yīng)力譜，利用材料的S-N規(guī)律說明武器關(guān)重件疲勞分析的一般流程。文獻(xiàn)［2］對自行火炮行動系統(tǒng)扭力軸進(jìn)行了疲勞仿真，運(yùn)用MM（Modified Miner）法則和EM（Elemental Miner）法則對材料疲勞特性進(jìn)行修正，對比得出MM法則對疲勞曲線的編輯更為合理。但上述研究均沒有涉及關(guān)重件運(yùn)動特性的理論分析，忽略了自身慣性力對疲勞壽命的影響，本文對試驗中炮閂斷裂原因及受力情況進(jìn)行了理論計算，而后用仿真技術(shù)預(yù)測使用壽命。

1 炮閂疲勞斷裂分析

1.1 小閉鎖齒損壞的力源分析

根據(jù)閂體小閉鎖齒出現(xiàn)裂紋及斷裂的位置，尋找引起閉鎖齒產(chǎn)生裂紋損壞的力源，按小閉鎖齒受軸向、徑向和切向作用力3種情況進(jìn)行有限元分析。分別假設(shè)小閉鎖齒內(nèi)面承受一沿徑向向外的力載荷、小閉鎖齒承受一沿軸向的載荷和小閉鎖齒側(cè)面承受切向方向的載荷單獨(dú)作用，受力（所述載荷均為1N）及分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 小閉鎖齒受力及云圖

從有限元分析得到小閉鎖齒的應(yīng)力結(jié)果與小閉鎖齒斷裂位置比較得出，小閉鎖齒在承受以上3種力定性分析時，最有可能引起疲勞斷裂的是徑向力和切向力的作用。

1.2 小閉鎖齒疲勞斷裂受力原因分析

根據(jù)閂體小閉鎖齒的結(jié)構(gòu)功能及受力情況分析，可能引起小閉鎖齒承受徑向及切向載荷的原因有以下兩種因素：①閂體高速開閂、閉鎖時高速旋轉(zhuǎn)的離心力；②高速供輸彈時彈與小閉鎖齒的瞬間碰撞力。

（1）開閂、閉鎖時閂體高速旋轉(zhuǎn)形成離心力，閂體一方面隨炮身高速旋轉(zhuǎn)，一方面與閉鎖器及開鎖器碰撞開閉鎖時自身產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，假設(shè)轉(zhuǎn)管自動機(jī)為6管且最大射速為4 800發(fā)/min，則炮身旋轉(zhuǎn)角速度：

閂體閉鎖時按完全非彈性碰撞考慮，炮身以ω0角速度旋轉(zhuǎn)，閂體與閉鎖塊碰撞后沿M點(diǎn)與閉鎖器貼合運(yùn)動，其運(yùn)動示意如圖2所示，設(shè)閂體旋轉(zhuǎn)角速度為，炮身旋轉(zhuǎn)為牽連運(yùn)動，則閂體轉(zhuǎn)動角度表示如下：

在閉鎖瞬間，即θ=0時代入上式，閂體角速度ω1最大值為：

同理，在開鎖時閂體角度表示如下：

在開鎖瞬間，即θ=0時代入上式，閂體角速度ω2最大值為：

注1：其中θ=ω2，L1=74.4 mm，r0=57.8 mm，L2=41.2 mm；

由于閂體在閉鎖與開鎖過程中炮身同時在高速旋轉(zhuǎn)，閂體本身也在高速運(yùn)動，因此，閂體閉鎖齒的離心力是兩個角速度的合成。按最極限情況考慮，假設(shè)閂體閉鎖齒相對炮身旋轉(zhuǎn)中心的最大角速度：

已知小閉鎖齒的質(zhì)量為8 g，公轉(zhuǎn)半徑為90mm，則所形成的離心力：

由分析可知，閉鎖齒高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力很小，不會對閉鎖齒產(chǎn)生破壞，故閉鎖齒破壞原因只可能是彈與閂體的碰撞力在徑向和切向的分力所致。

圖2 炮閂開閉鎖裝配示意圖

2 疲勞載荷譜的獲取

2.1 虛擬樣機(jī)的建立

為了能準(zhǔn)確地模擬炮閂工作時的載荷譜，將所需的實體模型導(dǎo)入到ADAMS中，建立炮閂供輸彈系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)如圖3所示［3］。

圖3 供輸彈系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型

在虛擬樣機(jī)中添加零部件的固有屬性、約束、運(yùn)動關(guān)系副及驅(qū)動等。進(jìn)行動力學(xué)仿真，將仿真結(jié)果與已知數(shù)據(jù)對比，驗證樣機(jī)仿真的準(zhǔn)確性，不斷進(jìn)行修正和完善，直至誤差在允許范圍內(nèi)。

2.2 虛擬樣機(jī)的校核

為了驗證虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性，將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從定性和定量兩個方面驗證虛擬樣機(jī)結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的一致性［4］。定性校核包括：①觀察虛擬樣機(jī)射擊循環(huán)動作順序及方式是否與實裝一致；②運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真結(jié)果是否符合實際運(yùn)動規(guī)律。定量校核包括將星形體的角速度、后坐位移和后坐速度與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，控制誤差在允許范圍內(nèi)，如圖4，圖5所示。

選取圖4，圖5中星形體角速度、后坐位移和后坐速度曲線中數(shù)值的最大值與試驗數(shù)據(jù)比較如表1所示。

已知該轉(zhuǎn)管武器為6管小口徑炮，故星形體角速度經(jīng)轉(zhuǎn)化后等于轉(zhuǎn)管武器的理論射速4 500發(fā)/min，經(jīng)分析星形體的角速度、后坐位移和后坐速度與試驗值間的相對誤差均在5%范圍內(nèi)，可以反映樣機(jī)仿真的準(zhǔn)確性，能夠滿足工程分析的需要。

圖4 導(dǎo)氣室作用力與星形體角速度曲線

圖5 星形體后坐位移和速度曲線

表1 仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比

2.3 載荷譜的獲取

小閉鎖齒在供輸彈過程中承受彈體對它的切向力和徑向力是造成疲勞破壞的主要力源，故通過虛擬樣機(jī)仿真得到切向力和徑向力的載荷譜如下頁圖6所示。

3 有限元靜強(qiáng)度分析

運(yùn)用ABAQUS/Standard進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，將小閉鎖齒的切向力及徑向力的受力面分別耦合到一點(diǎn)，在該點(diǎn)上分別施加切向和徑向方向的單位載荷，得到的靜應(yīng)力結(jié)果如圖7所示，切向和徑向的靜應(yīng)力大小分別為0.2008 Mpa和0.2794 Mpa。

4 疲勞壽命分析

4.1 材料的S-N曲線

45CrNiMoVA鋼在90%存活率下疲勞性能的相關(guān)參數(shù)見表2［5］，對疲勞極限以下的載荷應(yīng)用MM法則（Modified Miner Rule，簡稱MM法則）進(jìn)行修正，得到材料的S-N曲線。

圖6 動力學(xué)仿真載荷譜

圖7 切向和徑向受力時的云圖

表245 CrNiMoVA鋼在95%存活率下疲勞性能參數(shù)

YS-屈服極限；UTS-拉伸極限；E-彈性模量；v-泊松比；SRI1-循環(huán)次數(shù)為1時的應(yīng)力幅；b1-S-N曲線第一階段的斜率；Nc1-S-N曲線拐點(diǎn)處的循環(huán)次數(shù)；b2-S-N曲線第二階段的斜率。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以在Designlife的材料管理器中添加材料的S-N疲勞壽命曲線，如圖8所示。

圖845 CrNiMoVA鋼S-N曲線

4.2 疲勞壽命分析

在UG中建立炮閂的三維實體模型，基于ADAMS建立轉(zhuǎn)管武器的虛擬樣機(jī)進(jìn)行動力學(xué)仿真，得到.DAC數(shù)據(jù)文件的載荷譜，基于ABAQUS對炮閂閉鎖齒進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元分析，得到.ODB格式結(jié)果文件，將上述兩種結(jié)果文件導(dǎo)入到Designlife疲勞分析軟件，已知45CrNiMoVA鋼的S-N曲線，應(yīng)用Miner線性累積損傷準(zhǔn)則進(jìn)行損傷累積［6］，預(yù)測小閉鎖齒在切向力和徑向力單獨(dú)作用下的疲勞壽命如圖9所示。

圖9 小閉鎖齒壽命云圖

在切向力載荷譜和徑向力載荷譜作用下，由Designlife仿真得到小閉鎖齒疲勞壽命分別為9 871和6 641次，已知小閉鎖齒在試驗中經(jīng)過7 300次循環(huán)斷裂，相對于最小壽命誤差為9.0%。說明本文建立的樣機(jī)模型可以用于預(yù)測小閉鎖齒的疲勞壽命。

5 結(jié)束語

不規(guī)則零部件的疲勞壽命預(yù)測是傳統(tǒng)方法難以解決的，本文采用先進(jìn)地疲勞壽命分析軟件Designlife，結(jié)合ADAMS、ABAQUS等動力學(xué)和有限元分析軟件協(xié)同仿真，較為準(zhǔn)確地預(yù)測了炮閂小閉鎖齒在供輸彈過程中，承受切向和徑向沖擊力作用下的疲勞壽命，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，在工程分析上具有一定參考的價值。

［1］胡慧斌，候曉鋒，曹立軍，等.沖擊載荷作用下抽筒子疲勞壽命預(yù)測與試驗驗證［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2014，35（3）：68-73.

［2］易當(dāng)祥，劉春和，呂國志，等.自行火炮行動系統(tǒng)關(guān)重件的疲勞壽命仿真［J］.兵工學(xué)報，2007，28（2）：138-143.

［3］高鎮(zhèn)同，熊峻江.疲勞可靠性［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

［4］郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實例教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［5］《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》編委會.機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［6］張安哥，朱成九，陳夢成.疲勞、斷裂與損傷[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2005.

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Based on Collaborative Simulation Technology Weapons of a Revolving Barrel Gun Bolt Locking Teech Fatigue Life Prediction

LI Yong1，WU Bao-shuang2
（1.Military Representative Office of Navy Stationed in Zhengzhou，Zhengzhou 450015，China；2.The 713 Research Institute，CSIC，Zhengzhou 450015，China）

Taking experiment a revolution of tube weapon breechblock small locking teeth to appear the endurance failure as the basis，from the perspective of qualitative analysis of the source may cause fatigue failure of the small locking teeth is bear tangential force and radial force.Through the theoretical calculation，breechblock in the opened and closed lock，high-speed rotation of the centrifugal force（belong the radial force）is smaller to Ignored,therefore the tangential force and the radial force only can be the breech block in supply to lose in the projectile process to produce with the projectile collision Based on ADAMS for Ramming build a prototype system dynamics simulation，obtains the tangential force and the radial force load spectrum,based on ABAQUS emulation obtain locking teeth of the Hydrostatic Strength results，while building material S-N 45CrNiMoVA fatigue life curve，finally carried on the coordination simulation by Designlife to forecast the fatigue life of small locking teeth，the collaborative simulation technology to the engineering analysis of a certain reference value.

collaborative simulation，locking teeth，load spectrum，S-N curve，static strength

TJ301；TJ391

A

1002-0640（2015）12-0141-04

2014-12-03

2015-02-08

國家自然科學(xué)基金（51175481）；國防基礎(chǔ)科研基金資助項目（A0820132003）

李涌（1982-），男，河南商丘人，碩士。研究方向：圖像處理。