基于虛擬樣機的遙控武器站托架剛強度與疲勞壽命分析

毛保全，梁博巍，宋 鵬

(裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

遙控武器站系統(tǒng)復(fù)雜，載荷較多，作為起到支撐與連接作用的武器站托架，其剛強度校核與壽命預(yù)測一直是遙控武器站設(shè)計與研發(fā)的重點［1，2］。但是就目前測量技術(shù)而言，很難通過武器站實物測得到剛強度與疲勞壽命相關(guān)的數(shù)據(jù)［3，4］。因此，利用遙控武器站虛擬樣機技術(shù)，對遙控武器站的托架剛強度與疲勞壽命分析的流程、方法與步驟進行探索，得出一套切實可行的分析方案，并完成相關(guān)性能的校核，驗證了分析方法的有效性。

1 托架剛強度分析

強度要求是指構(gòu)建在規(guī)定的載荷作用下，應(yīng)該具有足夠的抵抗破壞的能力; 剛度要求是指構(gòu)建在規(guī)定的載荷作用下，應(yīng)具有足夠的抵抗變形的能力。即在外力的作用下構(gòu)件的最大撓度應(yīng)小于許用撓度，最大轉(zhuǎn)角應(yīng)小于許用轉(zhuǎn)角，即

武器站托架的支撐剛度，對武器站的炮口位移具有十分重要的作用，特別是當(dāng)系統(tǒng)振型與發(fā)射頻率并無共振現(xiàn)象發(fā)生時，可以說支撐結(jié)構(gòu)的靜剛度對武器的射彈散布有十分重要的意義［5］。

由于遙控武器站的托架位于遙控武器站的底部，裝配相對牢固，因此，考慮武器站架座等為線彈性系統(tǒng)，忽略部件裝配間隙，對架座進行靜力分析，以其應(yīng)力和應(yīng)變是否在材料允許范圍內(nèi)為評估準(zhǔn)則來評估托架的剛度和強度。

1.1 分析流程

利用有限元軟件ANSYS Workbench14. 0，選擇Static Structural 仿真環(huán)境對托架進行靜力分析，圖1 所示為有限元仿真流程圖。其中，網(wǎng)格劃分方式應(yīng)選擇六面體網(wǎng)格，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型，不同部件可以設(shè)置不一樣的網(wǎng)格尺寸，原則是對于較小部件或較關(guān)注的部件，網(wǎng)格尺寸相對要小些，其他部件可大些，具體數(shù)值要在仿真過程中不斷地調(diào)整。圖2為托架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖，表1 為普通碳素鋼材料屬性，表2 為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖1 有限元仿真流程

圖2 托架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖

表1 普通碳素鋼材料屬性表

表2 托架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)據(jù)

1.2 載荷的計算和施加

對于約束和載荷的施加，要按照實際的工作狀態(tài)進行提取和簡化。遙控武器站是通過高低機來實現(xiàn)武器系統(tǒng)在-5°和60°射角范圍內(nèi)高低俯仰。因此，托架在不同射角工況下的受力不相同，所以要對托架的受力進行分析，找出托架結(jié)構(gòu)受力最嚴(yán)峻的工況的載荷(典型工況載荷)作為剛強度分析的施加載荷。

遙控武器站的典型工況根據(jù)高低射角的不同分為:0°射角工況、-5°射角工況和60°射角工況。托架在這3 種典型工況下的受力在空間三維坐標(biāo)上的分量都各自是最大值。所以要針對托架的3 種典型工況進行靜力分析。

12.7 mm 機槍射擊后坐力為FMAX=5 880 N，但是機槍的射擊載荷是瞬態(tài)沖擊載荷。在研究零件沖擊強度時，要考慮材料在沖擊載荷下機械性能的改變和對零件沖擊效應(yīng)的大小。對于托架的結(jié)構(gòu)鋼來說，當(dāng)應(yīng)變速率在10-6～10-21/s時，鋼的機械性能無明顯變化。但零件在應(yīng)變速率更高的情況下，結(jié)構(gòu)鋼的強度極限和屈服極限會隨沖擊速度的增大而大幅提高，而且屈服極限比強度極限提高得更明顯［6-8］。因此把沖擊載荷當(dāng)作靜載荷來處理，對于托架的結(jié)構(gòu)鋼是比較安全的。

一般對于直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，在進行強度和穩(wěn)定性的計算時，動力荷載設(shè)計值應(yīng)乘動力系數(shù)，所以，對托架的結(jié)構(gòu)強度校核時，將動載荷乘以動載荷系數(shù)轉(zhuǎn)化為靜載荷進行強度校核，一般火炮架座強度校核時取動載荷系數(shù)為2 ～3。安全起見，這里取動載荷系數(shù)為Kd=3

1.3 仿真結(jié)果

架座主要部件采用35#，其屈服強度為350 ～400 MPa，工程上一般安全系數(shù)取1.2 ～2.2，武器站設(shè)計手冊取安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為2。所以架座的許用應(yīng)力為175 ～200 MPa。

在Workbench Mechanical 有限元分析中給出應(yīng)力和應(yīng)變，應(yīng)力和應(yīng)變有6 個分量(x、y、z、xy、yz、xz)，由于應(yīng)力為一分量，因此單從應(yīng)力分量上很難判斷出系統(tǒng)的響應(yīng)，在Mechanical 中可以利用安全系數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)做出判斷，它主要取決于所采用的強度理論。在武器設(shè)計中，對關(guān)重件的強度設(shè)計一般采用第三強度理論，在Mechanical 中最大剪切應(yīng)力Max Shear Stress 為第三強度理論。

托架仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 托架0°、60°、-5°射角工況的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和安全系數(shù)示意圖

表3 為托架強度評估表，托架在3 個工況下的安全系數(shù)雖然小于2，但是大部分結(jié)構(gòu)安全系數(shù)≥5，最大等效應(yīng)力為177.41 MPa，基本滿足強度要求，只是存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。最大等效應(yīng)變?yōu)?.000 904 13 mm/mm。結(jié)果滿足設(shè)計要求。

一般遙控武器站通常采用35#鋼，其一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計許用撓度是1/300，特殊用途的結(jié)構(gòu)設(shè)計許用撓度為1/500。對于托架，在此按特殊用途結(jié)構(gòu)來看代。托架可以簡化為一懸臂梁，其許用變形量為火線高和許用撓度的乘積。火線高為767 mm，取許用撓度是1/500，所以許用變形量為1.53 mm。從仿真結(jié)果可以看到，托架的最大變形為0.24 mm，小于許用變形，所以托架剛度滿足結(jié)構(gòu)材料的要求。

表3 托架強度評估表

1.4 結(jié)論

1)利用限元軟件對遙控武器站托架進行網(wǎng)格劃分時應(yīng)當(dāng)注意網(wǎng)格劃分的細致程度，對關(guān)注部位(如托架底部)應(yīng)進行較為細致的劃分;

2)在計算強度和穩(wěn)定性時，動力荷載設(shè)計值應(yīng)乘動力系數(shù)，一般火炮架座強度校核時取動載荷系數(shù)為Kd=3;

3)遙控武器站托架可以近似簡化為一懸臂梁，其許用變形量為火線高和許用撓度的乘積。

2 疲勞壽命分析

疲勞壽命是結(jié)構(gòu)的一個重要性能指標(biāo)。疲勞是在名義應(yīng)力低于材料屈服強度，無明顯塑性變形且結(jié)構(gòu)破壞前的情況下，突然發(fā)生斷裂的一種機械損傷過程。所以在結(jié)構(gòu)滿足剛強度指標(biāo)要求的同時，有必要對遙控武器站托架的疲勞壽命進行分析和預(yù)估。

2.1 確定疲勞壽命的方法

確定結(jié)構(gòu)疲勞壽命的方法主要有2 類:試驗法和試驗分析法。試驗分析法簡稱分析法。試驗法是完全依賴傳統(tǒng)試驗的方法。分析法是依據(jù)材料的疲勞性能，對照結(jié)構(gòu)所受到的載荷歷程，按分析模型來確定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。疲勞壽命分析方法的研究與采用，能降低疲勞分析對大量試驗的依賴性，一直是研究的熱點。在工程中比較常用的分析法有名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和應(yīng)力應(yīng)變場強度法。隨著計算機技術(shù)和有限元的發(fā)展，疲勞壽命試驗分析法得到了廣泛應(yīng)用。圖4 疲勞壽命的試驗法和分析法流程圖。

圖4 疲勞壽命的試驗法和分析法流程

對于遙控武器站托架這一機構(gòu)，傳統(tǒng)試驗方法測得相關(guān)數(shù)據(jù)的難度較大，可以利用虛擬樣機技術(shù)，通過將多體動力學(xué)和有限元分析結(jié)合，獲得機構(gòu)工作狀態(tài)連續(xù)應(yīng)力數(shù)據(jù)，用仿真的方法代替樣機試驗，在設(shè)計初期進行壽命評估，節(jié)省時間提高效率。

2.2 基于ADAMS 托架連續(xù)應(yīng)力分析

遙控武器站的疲勞應(yīng)分為2 類:高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞是當(dāng)載荷的循環(huán)的(重復(fù))次數(shù)高如(1e4 ～1e9)的情況下產(chǎn)生的。因此，應(yīng)力通常比材料的極限強度低。應(yīng)力疲勞(Stress-based)用于高周疲勞。低周疲勞是在循環(huán)次數(shù)相對較低時發(fā)生的。塑性變形常常伴隨低周疲勞，其闡明了短疲勞壽命。一般認為應(yīng)變疲勞(Strain-based)應(yīng)該用于低周疲勞計算。在ANSYS Workbench 仿真軟件中，疲勞模塊拓展程序(Fatigue Module add-on)采用的是基于應(yīng)力疲勞(Stress-based)理論，適用于高周疲勞。

根據(jù)遙控武器站連發(fā)載荷規(guī)律，可以假設(shè)其載荷屬于恒定振動載荷、比例載荷和脈沖載荷。恒定振幅載荷(圖5)，即當(dāng)最大和最小的應(yīng)力水平恒定時的載荷。比例載荷，是指主應(yīng)力的比例是恒定的，并且主要應(yīng)力的削減不隨時間變化。脈動循環(huán)載荷，是當(dāng)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。

圖5 恒定振幅載荷示例

通過動力學(xué)仿真分析，在柔性體文件生成時設(shè)置為包含應(yīng)力或應(yīng)變數(shù)據(jù)或者兩者都要包含的前提下，可以得到托架柔性體在工作載荷下的連續(xù)應(yīng)力數(shù)據(jù)。在ADAMS 后處理中可以查看托架在射擊載荷下的應(yīng)力曲線，如圖6 所示為單發(fā)射擊載荷托架應(yīng)力曲線。

圖6 單發(fā)射擊載荷托架應(yīng)力曲線

從托架應(yīng)力曲線可知，其載荷屬于σm=σmax/2，R=0 的情況。其中，σm為平均應(yīng)力σm= (σmax+ σmin)/2，σmin和σmax為最大和最小應(yīng)力值，應(yīng)力比R =σmax/σmin。載荷類型可以在Fatigue Tool 疲勞說明中的“Zero-Based”、“Fully Reversed”和給定的“Ratio”之間定義。Ratio=0 與“Zero-Based”相同，Ratio=1 相當(dāng)于Fully Reversed 載荷。

2.3 基于ANASYS Workbench 疲勞壽命分析

ANSYS Workbench 的疲勞分析模塊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。軟件中的材料應(yīng)力-壽命曲線大都是通過標(biāo)準(zhǔn)試驗件試驗得出的，對于外形、加工精度等不同的結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力-壽命曲線要進一步修正，但是由于試驗數(shù)據(jù)缺少，難以準(zhǔn)確描述構(gòu)件的應(yīng)力-壽命曲線。加之研究對象遙控武器站是在研的系統(tǒng)，而且武器站托架形狀比較復(fù)雜，沒有準(zhǔn)確描述其應(yīng)力-壽命曲線的基礎(chǔ)。所以本文以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)力-壽命曲線為基礎(chǔ)，利用平均應(yīng)力修正模型和強度因子Kf來修正應(yīng)力-壽命曲線，從而估計遙控武器站疲勞壽命。

平均應(yīng)力修正模型主要有: Goodman 模型、Soderberg 模塊和Gerber 模型。表4 為應(yīng)用不同理論得到的托架疲勞壽命，Goodman 模型適用于低韌性材料，不能對壓縮平均應(yīng)力修正，Soderberg 模型有時可用于脆性材料。Gerber 模型能夠?qū)g性材料的拉伸平均應(yīng)力提供很好地擬合，但不能正確地預(yù)測出壓縮平均應(yīng)力的有害影響。強度因子Kf可以集中體現(xiàn)除平均應(yīng)力以外的其他對應(yīng)力-壽命曲線影響因素，具體參考經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)確定，本文取Kf為0.9。

式中:σb為靜強度;σ-1為疲勞極限;σm為平均應(yīng)力;σs為屈服強度。

表4 應(yīng)用不同理論得到的托架疲勞壽命

依據(jù)機槍設(shè)計說明書，其身管壽命為3 000 發(fā)，即3 000個射擊循環(huán)。遙控武器站一般為一個槍塔設(shè)計配備兩挺機槍，一挺機槍設(shè)計配備兩根身管，所以遙控武器站槍塔要具備的壽命為12 000 射擊循環(huán)。在3 種理論中，采用Gerber 理論得到的疲勞壽命最小，為41900 個射擊循環(huán)，也是槍塔設(shè)計壽命的3.49 倍，可見托架疲勞壽命滿足設(shè)計要求。

2.4 結(jié)論

1)遙控武器站應(yīng)注意2 個方面的疲勞，即高周疲勞和低周疲勞;

2)可以得到遙控武器站托架柔性體在工作載荷下的連續(xù)應(yīng)力數(shù)據(jù)，前提是在柔性體文件生成時要設(shè)置為包含應(yīng)力或應(yīng)變數(shù)據(jù)或者兩者都要包含;

3)計算遙控武器站托架疲勞壽命時應(yīng)根據(jù)不同情況對平均應(yīng)力修正模型進行選取。

3 結(jié)束語

本文以虛擬樣機為基礎(chǔ)對遙控武器站托架剛強度與疲勞壽命分析的流程、方法與步驟進行了探索，并通過實踐對遙控武器站托架進行了校核，所得結(jié)果較為滿意。剛強度與疲勞壽命的分析方法可為其他相關(guān)構(gòu)件的剛強度分析與疲勞壽命分析提供參考，具有一定工程實踐指導(dǎo)意義。

［1］周超.復(fù)合材料架座機槍系統(tǒng)動力學(xué)特性的有限元分析［D］.南京:理工大學(xué)，2004.

［2］葛建立，楊國來，陳運生.某車載炮搖架和上架的靜動態(tài)有限元設(shè)計［J］.力學(xué)與實踐，2007(6):41-44.

［3］李貴虎.基于ANSYS 的閂體剛強度有限元分析［J］.機械管理開發(fā)，2007，8(4):13-14.

［4］鄧楊，田東，于奕.基于有限元技術(shù)對機架剛度的分析［J］.裝備維修技術(shù)，2012(3):29-32.

［5］王惠源，薄玉成.某轉(zhuǎn)管高射機槍全槍有限元模態(tài)計算分析［J］.華北工學(xué)院學(xué)報，2003(3):199-202.

［6］侯貞貞.基于變速箱再制造的拆卸工藝及疲勞壽命分析［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

［7］李彥陽.鐵磁性材料疲勞性能磁記憶檢測與分析方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

［8］唐秋霞.銹坑對建筑用鋼筋HPB235 疲勞性能影響的有限元分析［D］.南寧:廣西大學(xué)，2012.