某輕型牽引炮下架結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

王 力，顧克秋，李 強(qiáng)

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

射擊狀態(tài)下的火炮架體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)沖擊性動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生劇烈的沖擊與碰撞，局部結(jié)構(gòu)塑性變形或沖擊斷裂是火炮結(jié)構(gòu)的主要失效形式?；鹋诩荏w結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響著火炮的綜合戰(zhàn)斗性能，動(dòng)強(qiáng)度破壞降低了火炮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性。常規(guī)火炮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)采用動(dòng)載系數(shù)或加大安全系數(shù)法，以犧牲較大的結(jié)構(gòu)質(zhì)量為代價(jià)，但仍然存在因火炮結(jié)構(gòu)的動(dòng)強(qiáng)度不足而失效的問(wèn)題。合理的火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須在設(shè)計(jì)階段考慮到實(shí)際工作環(huán)境下各種動(dòng)態(tài)因素，按照實(shí)際工作環(huán)境和動(dòng)態(tài)載荷作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度失效分析。

葛建立等［1］針對(duì)某車(chē)載炮搖架和上架結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中出現(xiàn)局部塑性變形的現(xiàn)象，對(duì)架體結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了靜態(tài)剛強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性有限元分析；對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使搖架及上架結(jié)構(gòu)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性。王虎等［2］研究了某輕型牽引火炮射擊過(guò)程的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)非線(xiàn)性有限元建模方法，運(yùn)用隱式積分算法計(jì)算獲取了炮架關(guān)鍵部位應(yīng)力、應(yīng)變的瞬態(tài)響應(yīng)關(guān)系，用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的合理性。劉達(dá)等［3］研究了土體支撐特性對(duì)某輕型炮射擊過(guò)程中架體結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度的影響規(guī)律，其對(duì)結(jié)構(gòu)與土體相互作用的建模研究具有重要的參考價(jià)值。

縱觀文獻(xiàn)，研究單個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力無(wú)法全面地揭示結(jié)構(gòu)在綜合系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布規(guī)律。筆者基于非線(xiàn)性有限元理論，對(duì)某輕型炮進(jìn)行了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)有限元分析，重點(diǎn)考慮了射擊過(guò)程中下架、后大架及連接銷(xiāo)軸動(dòng)態(tài)接觸碰撞關(guān)系。計(jì)算獲得了該輕型炮在不同射擊工況下的下架、后大架及連接銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布規(guī)律，分析找出了原下架結(jié)構(gòu)方案中強(qiáng)度設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，并提出下架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，對(duì)改進(jìn)后下架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度評(píng)估和校核。

1 輕型炮剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

某大口徑輕型牽引火炮總體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

該輕型炮在結(jié)構(gòu)總體布局方面有所創(chuàng)新，采用了新原理、新結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)材料等綜合技術(shù)，大大降低了牽引炮的質(zhì)量。采用四腳下架直接著地的新結(jié)構(gòu)方案，在一定程度上借鑒了迫擊炮座鈑著地的反后坐模式，縮短火炮發(fā)射時(shí)載荷傳遞路徑，減小火炮架體結(jié)構(gòu)的受力，提高了射擊穩(wěn)定性。但由于下架、后大架間采用機(jī)械式銷(xiāo)軸連接方式，在極限方向射角的射擊工況下，其連接處受力情況非常惡劣，連接處的強(qiáng)度問(wèn)題對(duì)射擊穩(wěn)定性和安全性均有較大影響，需要重點(diǎn)關(guān)注。

1.1 結(jié)構(gòu)總體建模策略

若要對(duì)圖1中輕型牽引火炮結(jié)構(gòu)總體進(jìn)行全柔體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析，只能采用殼單元建模，但殼單元對(duì)筋板較為復(fù)雜處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算精度較差，且不能對(duì)連接處進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)接觸建模分析。剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型將多剛體技術(shù)與有限元技術(shù)有效地綜合運(yùn)用，能夠在保證相當(dāng)精度情況下高速地處理各種動(dòng)力學(xué)問(wèn)題［4］。因此對(duì)個(gè)別架體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的動(dòng)強(qiáng)度分析，可對(duì)與之相接觸部件進(jìn)行柔性實(shí)體單元建模，建立基于有限元法的結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。

1.2 部件建模和材料模型

對(duì)下架、后大架、銷(xiāo)軸、土壤及下座圈采用實(shí)體單元建模，對(duì)后坐部分、反后坐裝置、搖架、上架、高平機(jī)、前大架、行軍裝置及方向機(jī)手輪等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為剛體，并在相對(duì)應(yīng)的質(zhì)心位置加以架體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

結(jié)構(gòu)離散化的單元類(lèi)型、形狀、位置和節(jié)點(diǎn)總數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力求解精確度均有影響。火炮架體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，混合采用六面體與四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)試算過(guò)程中應(yīng)力較大位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，在孔邊應(yīng)力集中處劃分規(guī)則的網(wǎng)格厚度呈階梯遞增型的非協(xié)調(diào)六面體單元，其單元類(lèi)型及網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)計(jì)算孔邊接觸應(yīng)力值有非常高的精度，四面體單元類(lèi)型為修正的二階四面體單元。架體結(jié)構(gòu)材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

1.3 結(jié)構(gòu)間連接關(guān)系模型

輕型炮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由眾多結(jié)構(gòu)件裝配而成，射擊過(guò)程中各結(jié)構(gòu)件間存在著高度復(fù)雜的非線(xiàn)性相對(duì)運(yùn)動(dòng)行為，結(jié)構(gòu)間連接關(guān)系模擬的準(zhǔn)確性對(duì)輕型炮總體動(dòng)態(tài)性能的解析計(jì)算精度影響較大。筆者以理論、經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)間連接關(guān)系建模。

1）剛體間連接關(guān)系模擬。后坐部分與搖架之間建立滑動(dòng)副；反后坐裝置力是后坐位移的非線(xiàn)性函數(shù)，復(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)分別采用單軸連接器模擬，力值通過(guò)函數(shù)子程序二次開(kāi)發(fā)編程計(jì)算施加；搖架與上架之間建立柔性鉸，釋放耳軸軸向的旋轉(zhuǎn)自由度；高平機(jī)、座圈及方向機(jī)裝置均采用施加等效剛度的連接器來(lái)模擬，等效剛度計(jì)算根據(jù)各自結(jié)構(gòu)裝配尺寸進(jìn)行數(shù)值計(jì)算獲取。

2）連接處動(dòng)態(tài)接觸模型。對(duì)火炮架體結(jié)構(gòu)間結(jié)合處的模擬，大多采用連接器加剛度和阻尼的方式。由于接觸界面事先未知性以及接觸條件的不等式約束導(dǎo)致接觸分析中需要經(jīng)常插入接觸界面的搜尋步驟，使得非線(xiàn)性接觸行為的求解非常復(fù)雜［5］。目前對(duì)火炮射擊中的架體結(jié)構(gòu)間連接強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)接觸有限元分析還未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。為了對(duì)火炮發(fā)射中的下架、后大架及連接銷(xiāo)軸動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行精確的計(jì)算分析，筆者詳細(xì)地建立了如圖2所示的連接處接觸有限元模型。

3）結(jié)構(gòu)與土壤相互作用模型。沖擊載荷下土的動(dòng)力特性與慣性效應(yīng)及其應(yīng)變率有關(guān)，文獻(xiàn)［6］中表明沖擊載荷下土的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)模量均有很大提高。當(dāng)前，火炮射擊過(guò)程中架體結(jié)構(gòu)與土體間相互作用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)匱乏，故本文土壤參數(shù)只能參照文獻(xiàn)［7］中選取較密實(shí)黏土的動(dòng)力經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，如表2所示。

表2 較密實(shí)黏土參數(shù)

土介質(zhì)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、力學(xué)機(jī)理和耦合效應(yīng)非常復(fù)雜，使得結(jié)構(gòu)與土壤相互作用關(guān)系的模擬非常困難。本文中結(jié)構(gòu)與土壤的相互作用關(guān)系采用以下2種方式建模。

1）集總參數(shù)建模?；鹋诎l(fā)射狀態(tài)后大架嵌入土體中，射擊過(guò)程中后大架與土壤接觸破壞過(guò)程較為復(fù)雜，采用連續(xù)體模型模擬較為困難。故將后大架與土壤作用關(guān)系采用集中參數(shù)建模，剛度及阻尼的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)［6］中彈性半無(wú)限空間理論中剛度及阻尼計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，如表3所示。

表3 彈性半無(wú)限空間剛度阻尼計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式

Gd為土體動(dòng)剪切模量，可按式（1）求出，其他參數(shù)參考表2中土壤動(dòng)力經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

表中r0為圓盤(pán)的半徑，對(duì)于寬為b，長(zhǎng)為L(zhǎng)的矩形基礎(chǔ)，其等效半徑按照計(jì)算。

2）接觸有限元建模。對(duì)下架與土壤間相互作用建模采用連續(xù)體有限元接觸模型，選取線(xiàn)彈性模型模擬土壤的彈性變形階段，用Drucker－Prager［8］模型模擬土壤塑性變形階段。

綜上所述，將后坐體、搖架及前大架建立顯示體約束，便于觀察火炮的運(yùn)動(dòng)特性，建立的輕型炮剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)有限元模型如圖3所示。

1.4 載荷、工況及邊界條件定義

火炮射擊過(guò)程各結(jié)構(gòu)的承受主動(dòng)力主要有重力、高壓燃?xì)猱a(chǎn)生的炮膛合力及彈丸在膛線(xiàn)內(nèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩。重力載荷直接在模型中定義重力場(chǎng)進(jìn)行加載；炮膛合力通過(guò)施加在炮尾上的等效動(dòng)載荷曲線(xiàn)模擬，如圖4所示；回轉(zhuǎn)力矩幅值曲線(xiàn)加載在對(duì)應(yīng)膛線(xiàn)起始位置的身管中心線(xiàn)處；邊界條件給定與火炮實(shí)際射擊情況相符。

利用上述剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模方法，建立了如表4所示的4種工況條件下的該輕型炮全炮結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算中選取了最?lèi)毫忧闆r的無(wú)阻尼假設(shè)，采用ABAQUS隱式積分算法數(shù)值計(jì)算火炮后坐階段的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

表4 工況說(shuō)明

2 輕型炮剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)計(jì)算分析

計(jì)算獲取各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值如表5中所示，圖5～7為對(duì)應(yīng)各結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力處。

表5 4種工況下各結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值MPa

計(jì)算結(jié)果表明：下架、后大架在工況1、2下，連接處出現(xiàn)了孔邊應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值較大。在工況3、4下，由于該輕型炮采用下架著地的方式，下架、后大架及連接銷(xiāo)軸受力均較小。同時(shí)，從應(yīng)力云圖上可以看出各結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力值偏小，僅局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力值超過(guò)其材料的靜屈服極限，結(jié)構(gòu)存在一定的減重空間。應(yīng)力集中會(huì)削弱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，降低結(jié)構(gòu)承載能力，連接處的孔邊雖承受的為壓應(yīng)力，但長(zhǎng)期射擊的高壓狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致孔邊間隙過(guò)大，不利于射擊穩(wěn)定性且存在安全隱患，故需對(duì)連接處結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 下架結(jié)構(gòu)改進(jìn)與動(dòng)強(qiáng)度分析

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

在射擊過(guò)程中，下架連接處應(yīng)力超過(guò)其靜屈服極限，筆者對(duì)下架進(jìn)行合理的材料布置及連接處結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，原先的下架結(jié)構(gòu)如圖8所示。

根據(jù)上述下架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)射擊過(guò)程下架受力變形趨勢(shì)進(jìn)行分析，對(duì)原先下架結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下改進(jìn)：對(duì)下架前臂和后臂連接處進(jìn)行平滑過(guò)渡連接設(shè)計(jì)，減少焊縫；增加一組銷(xiāo)軸支座結(jié)構(gòu)以加大銷(xiāo)軸的剛度值，以便限制后大架架頭應(yīng)變量，緩解孔邊應(yīng)力集中問(wèn)題；原蓋板結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度沒(méi)有明顯的作用，故去除蓋板結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的下架結(jié)構(gòu)如圖9所示。

3.2 改進(jìn)后下架結(jié)構(gòu)的動(dòng)強(qiáng)度校核

基于上述有限元模型，對(duì)改進(jìn)后的下架結(jié)構(gòu)進(jìn)行同樣4種工況下的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度校核，數(shù)值計(jì)算獲取各結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力值如表6中所示。

表6 改進(jìn)后各結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值MPa

在工況1下，結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后的下架、后大架及連接銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力對(duì)比曲線(xiàn)分別如圖10～12所示。

在圖10中，改進(jìn)前下架最大應(yīng)力點(diǎn)曲線(xiàn)上升速度快，應(yīng)力變化幅度較大。改進(jìn)后下架最大應(yīng)力點(diǎn)曲線(xiàn)變化較為平緩，總體應(yīng)力值保持在材料的屈服極限以下。下架最大應(yīng)力從1 383 MPa降低到792.1 MPa，降幅達(dá)42.7%，且改進(jìn)后下架質(zhì)量減少10kg。

在圖11中，下架改進(jìn)后，后大架在火炮發(fā)射21ms前應(yīng)力比未改進(jìn)前應(yīng)力值大，是因?yàn)樵黾愉N(xiāo)軸支撐座使銷(xiāo)軸剛度增加，初期反而使接觸應(yīng)力增大。增加的銷(xiāo)軸支撐座限制了后大架架頭的扭轉(zhuǎn)，后大架的應(yīng)力峰值從1 019 MPa 降低到862.3 MPa，降幅達(dá)15.3%。

在圖12中，銷(xiāo)軸應(yīng)力的變化趨勢(shì)與后大架、下架的應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，銷(xiāo)軸應(yīng)力的變化是因?yàn)橄录芘c后大架間相互作用變形所導(dǎo)致。下架改進(jìn)后，銷(xiāo)軸應(yīng)力從1 179 MPa降到了703.6 MPa，降幅達(dá)40.3%。輕型炮射擊過(guò)程中下架與后大架結(jié)構(gòu)間連接強(qiáng)度不足的問(wèn)題得以解決。

采用動(dòng)態(tài)屈服準(zhǔn)則，考慮動(dòng)態(tài)受力條件下的延遲屈服性能，可以說(shuō)明在動(dòng)載荷下結(jié)構(gòu)應(yīng)力短暫大于強(qiáng)度極限時(shí)仍不破壞，即當(dāng)快速加、卸載荷過(guò)程中，盡管應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)已經(jīng)超過(guò)了材料的靜態(tài)強(qiáng)度極限，其強(qiáng)度仍能得到保障［9］。但動(dòng)態(tài)屈服準(zhǔn)則中超過(guò)時(shí)間及最大應(yīng)力值的度量標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法確定，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值在對(duì)應(yīng)材料的靜屈服強(qiáng)度極限內(nèi)。

4 結(jié)論

筆者在研究輕型炮剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)非線(xiàn)性有限元的建模方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲取了該輕型炮4種射擊工況下的下架、后大架及連接銷(xiāo)軸動(dòng)態(tài)應(yīng)力，找出了下架結(jié)構(gòu)材料利用不合理和下架與后大架結(jié)構(gòu)連接處強(qiáng)度設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，提出了下架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。計(jì)算結(jié)果表明：改進(jìn)后的下架結(jié)構(gòu)有效地解決了連接處強(qiáng)度不足的問(wèn)題。由于連接處的應(yīng)力不便于試驗(yàn)測(cè)量，進(jìn)行精確的數(shù)值計(jì)算對(duì)解決連接處強(qiáng)度問(wèn)題頗為有效。該下架改進(jìn)結(jié)構(gòu)已用于該輕型炮物理樣機(jī)中，并通過(guò)了該預(yù)研火炮射擊試驗(yàn)的強(qiáng)度校核，有效減少了火炮物理樣機(jī)的試驗(yàn)次數(shù)。分析思路和設(shè)計(jì)方法在火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其他結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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