杠桿式抽筒子的動態(tài)特性研究及拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計*

劉秀蓮，胡勝海，張滿慧，陳 茜（.哈爾濱工程大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱 5000；2.黑龍江科技大學(xué)機械工程學(xué)院，哈爾濱 50022；.長春軌道客車股份有限公司，長春 0022）

杠桿式抽筒子的動態(tài)特性研究及拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計*

劉秀蓮1，2，胡勝海1，張滿慧1，陳 茜3
（1.哈爾濱工程大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.黑龍江科技大學(xué)機械工程學(xué)院，哈爾濱 150022；3.長春軌道客車股份有限公司，長春 130022）

針對杠桿式抽筒子工作時出現(xiàn)的斷裂失效問題，以動力學(xué)和有限元理論為基礎(chǔ)，分別進行抽筒子的動態(tài)特性研究和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。得出其在抽筒過程中的動應(yīng)力分布和危險區(qū)域，定性地確定出介質(zhì)力學(xué)參數(shù)和工作參數(shù)的影響，獲得了抽筒子的最佳材料布局和優(yōu)化改進結(jié)構(gòu)。優(yōu)化前后抽筒子結(jié)構(gòu)的對比仿真結(jié)果表明，改進結(jié)構(gòu)能夠使得應(yīng)力集中危險區(qū)域僅為最大動應(yīng)力降低10.6%的強撞擊位置，其余部分均可轉(zhuǎn)換為安全區(qū)域且結(jié)構(gòu)剛度提升49%左右。所用方法有效可靠，為解決杠桿式抽筒子的斷裂問題提供理論依據(jù)和技術(shù)手段。

杠桿式抽筒子，動應(yīng)力，有限元，優(yōu)化設(shè)計

0 引言

抽筒子是火炮抽筒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件［1］，它在抽筒過程中的運動可視為在極短時間內(nèi)發(fā)生高強度加載和卸載過程的動態(tài)響應(yīng)。由部隊訓(xùn)練和對越自衛(wèi)反擊戰(zhàn)中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及現(xiàn)有文獻(xiàn)歸納可知，抽筒子極易在沖擊載荷的反復(fù)作用下發(fā)生塑性變形甚至動態(tài)斷裂，這將使得抽筒失效并導(dǎo)致火炮工作停止［2］。因此，有必要研究抽筒子在抽筒過程中的動態(tài)特性，對其進行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計以改善抽筒性能。

由于抽筒子工作狀態(tài)具有短周期和高頻響應(yīng)特征，且涉及多種物理場的相互作用，所以采用實體仿真模擬是主要的研究手段。張金忠等［3］分析了抽筒裝置的典型故障機理和易損部位的損壞程度，得到其損壞原因并提出改良方法。胡慧斌等［4］建立了抽筒子疲勞損傷與壽命預(yù)測模型，得到危險部位的最小壽命，并通過試驗裝置和優(yōu)化碰撞參數(shù)驗證其可信性。唐文獻(xiàn)等［5］提出了炮閂抽筒過程的柔體動力學(xué)仿真方法，分析了抽筒子重要區(qū)域的受力變形情況。張建等［6］借助HyperWorks軟件分別進行火炮炮閂抽筒子的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化設(shè)計，解決抽筒子在工作過程中出現(xiàn)的屈服問題。上述大都是以凸輪式抽筒子為對象，而現(xiàn)役中小口徑火炮中較多使用的是撞擊類杠桿式抽筒子，但缺少相應(yīng)的理論研究。

本文分析了杠桿式抽筒子的工作機理，基于非線性有限元技術(shù)研究其在閂體撞擊下的動態(tài)響應(yīng)，得出其動應(yīng)力分布、危險區(qū)域和介質(zhì)力學(xué)參數(shù)及工作參數(shù)的影響。在此基礎(chǔ)上，進行了抽筒子結(jié)構(gòu)的動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，獲得了最佳的材料布局和改進結(jié)構(gòu)，并進行了原有結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)的動態(tài)對比仿真分析。

1 抽筒子在抽筒過程中的動態(tài)響應(yīng)

1.1 抽筒過程分析

杠桿式抽筒子實體模型如圖1所示，其在中小口徑火炮的典型應(yīng)用是安裝于85 mm加農(nóng)炮的半自動立楔式炮閂［7］中，與抽筒子軸、閂體掛臂和藥筒組成抽筒系統(tǒng)。在一個抽筒周期內(nèi)，杠桿式抽筒子工作機理如下:開閂（炮閂裝置）時，閂體向下運動；閂體帶動閂體掛臂高速撞擊抽筒子短臂，基于杠桿原理運動的長臂便猛烈沿順時針方向轉(zhuǎn)動，使爪緣帶動藥筒在身管內(nèi)運動；抽筒后，閂體在關(guān)閉機彈簧作用下略向上升，使掛臂將抽筒子鎖死；最后當(dāng)彈丸重新裝填時，藥筒底緣推動抽筒子脫離閂體，抽筒子和關(guān)閂彈簧推動閂體復(fù)回原位。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

抽筒子在抽筒過程中承受閂體掛臂高速撞擊和藥筒抽筒阻力的共同作用，其運動等價于在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)。限于抽筒子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，理論分析模型難以與實際邊界完整對應(yīng)，因此，以非線性有限元技術(shù)［8］研究抽筒子的動態(tài)特性。而且，本文以藥筒在身管內(nèi)平移即射角為零的極限工況為具體對象。

1.2 有限元模型的建立

將杠桿式抽筒子、抽筒子軸和閂體掛臂的實體模型都導(dǎo)入ABAQUS中，設(shè)置各組成部分的物理性能參數(shù)如表1所示。采用8節(jié)點六面體減縮積分實體單元劃分網(wǎng)格，抽筒子共劃分7 018個實體單元，抽筒子軸劃分666個實體單元，掛臂劃分1 276個實體單元。裝配體的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

為了實現(xiàn)抽筒子繞軸轉(zhuǎn)動，在抽筒子軸的軸線上一點與固定參考點之間建立鉸鏈連接單元，同時軸線上點與軸的兩個端面之間建立耦合約束。在計算模型中簡化抽筒子與藥筒的接觸，僅有抽筒子與軸、掛臂兩個接觸區(qū)域。它們均定義為面對面接觸，并分別將抽筒子軸和掛臂上的接觸面設(shè)置為主面。接觸屬性采用庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.1，法向為硬接觸。在掛臂上定義沿垂直方向撞擊速度為2.5 m/s，并建立一個持續(xù)5.4 ms的分析步對應(yīng)動態(tài)抽筒過程。抽筒子與藥筒的作用轉(zhuǎn)化為圖3所示的抽筒力［8］，它是藥筒在身管中運動所需克服的摩擦力和藥筒加速運動所需的主動力的合力。

表1 抽筒子的物理性能參數(shù)

圖3 抽筒力的變化規(guī)律

1.3 杠桿式抽筒子的動應(yīng)力分布

下頁圖4給出了抽筒子在抽筒過程中的等效應(yīng)力云圖，選取的代表性時間點分別為:抽筒前期時刻點0.2 ms、抽筒中間時刻點3.8 ms、抽筒末期時刻點5.4 ms。

從圖4中可以看出:抽筒過程的初期，應(yīng)力最大的部位是爪緣的根部以及長臂溝槽處，兩處先后出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中，但均未超過材料屈服極限。而隨著抽筒過程進行，由于掛臂撞擊作用以及抽筒力增大，掛臂與抽筒子的接觸部位出現(xiàn)較大接觸應(yīng)力，最大達(dá)到1 959 MPa。除接觸位置外，抽筒子長臂部分在整個抽筒過程中都有較大應(yīng)力，且由中部到前后表面逐漸增大。爪緣的根部僅在初期出現(xiàn)一定程度應(yīng)力集中，后續(xù)的抽筒過程中應(yīng)力分布較均勻。

圖4 抽筒子的等效應(yīng)力云圖

圖5中分別給出抽筒子的爪緣根部、長臂溝槽和短臂圓角處的動應(yīng)力隨時間變化曲線。爪緣根部最大應(yīng)力為608 MPa，小于材料屈服極限，可判定該位置是安全區(qū)域。長臂溝槽處最大應(yīng)力為1 262 MPa，超過材料屈服極限的時間為1.8 ms，約占抽筒時長的1/3。而短臂圓角處的最大值為891 MPa，接近屈服極限的時間為1 ms，約占抽筒時長的1/5。它們均有斷裂失效的危險，是需要改善的區(qū)域。

圖5 抽筒子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化曲線

為定性地研究抽筒子的力學(xué)參數(shù)彈性模量E、泊松比υ、材料密度ρ以及工作參數(shù)撞擊速度V和主平板區(qū)域厚度的變化對動應(yīng)力影響，以長臂溝槽厚度方向上的最大動應(yīng)力點為對象，分別采用有顯著變化的增大、減小和名義單一參數(shù)的3種仿真結(jié)果進行對比。

圖6 抽筒子力學(xué)參數(shù)變化對動應(yīng)力的影響

圖6給出了抽筒子各個力學(xué)參數(shù)變化對動應(yīng)力幅值和波動的影響:彈性模量與波動變化近似出現(xiàn)反比關(guān)系，對幅值變化影響不大；密度與波動變化近似為正比趨勢，也對幅值變化有較大影響（無明顯的比例關(guān)系）；泊松比對幅值和波動幾乎都無影響。圖7給出了抽筒子工作參數(shù)變化的影響:撞擊速度與波動變化近似為正比關(guān)系，而與幅值變化不明顯；平板厚度對波動幾乎無影響，但與幅值變化是非線性反比關(guān)系，即厚度增大引起幅值的變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于厚度減小的對應(yīng)增值。對比兩圖也可以得出，不論各個參數(shù)下的動應(yīng)力幅值以及波動狀況如何，其隨時間變化的總體趨勢都大致相同，對應(yīng)抽筒力的變化。各點所受最大動應(yīng)力所對應(yīng)時間都在3.9 ms附近，只存在微小的浮動。

圖7 抽筒子工作參數(shù)變化對動應(yīng)力的影響

2 抽筒子的動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

由以上分析可知，抽筒子在抽筒過程中存在多處應(yīng)力集中、最大動應(yīng)力超過了材料的屈服極限，且有疲勞斷裂風(fēng)險的危險區(qū)域。而通過分析抽筒子力學(xué)參數(shù)和工作參數(shù)的影響，可知改變力學(xué)參數(shù)可以使得抽筒子的動應(yīng)力集中得以局部改善，卻難以獲得整體優(yōu)化效果。而改變工作參數(shù)（尤其是平板厚度）雖可緩解動應(yīng)力集中，卻忽視抽筒子自身的體積限制。因此，利用有限元分析中基于材料插值模型的密度法［9］，對抽筒子進行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。

2.1 抽筒子的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計流程

由于抽筒子在抽筒過程中承受動態(tài)載荷，結(jié)構(gòu)的平均柔順度指標(biāo)在時間歷程上是一系列變化的值。將其考慮為在動載荷作用下以體積為約束的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化問題，優(yōu)化目標(biāo)是減小結(jié)構(gòu)在整個載荷時間歷程上的平均柔順度［9］。采用密度法進行拓?fù)鋬?yōu)化時，優(yōu)異的初始結(jié)構(gòu)能夠使優(yōu)化過程在開始實施階段與最優(yōu)化材料布局最相近，并以最少的迭代步數(shù)獲得全局最優(yōu)的結(jié)果?；诔橥沧釉冀Y(jié)構(gòu)及有限元分析結(jié)果，將抽筒子體積增大30%，獲得初始模型如圖8所示。

圖8 抽筒子的初始設(shè)計結(jié)構(gòu)

優(yōu)化過程中，除軸孔以及爪緣位置外，均定義為設(shè)計區(qū)域，即材料可去除。在動載荷作用下，抽筒子的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計流程如下所示:基于初始設(shè)計結(jié)構(gòu)和動載荷、邊界條件，建立有限元分析模型；在拓?fù)鋬?yōu)化環(huán)境中，定義優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)整體應(yīng)變能，體積約束條件為原結(jié)構(gòu)的體積，懲罰因子取為3，單元相對密度下限設(shè)為0.05；提交任務(wù)進行迭代更新拓?fù)鋬?yōu)化，當(dāng)新結(jié)構(gòu)滿足約束和收斂條件時完成任務(wù)。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析與討論

基于上述優(yōu)化流程，抽筒子初始結(jié)構(gòu)經(jīng)歷20次迭代滿足約束且達(dá)到收斂，獲得新結(jié)構(gòu)的材料最優(yōu)布局如圖9所示。圖中黑色部分表示有材料區(qū)域，而灰色部分表示材料被刪除的區(qū)域?？梢缘贸觯橥沧佣瘫鄄糠忠约芭c爪緣相對的一側(cè)的材料刪除較多，與第2小節(jié)中應(yīng)力分布結(jié)果一致，即短臂部分應(yīng)力較小而長臂部分應(yīng)力較大。

顯然，圖9中拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的材料分布不規(guī)則，難以直接應(yīng)用于實際加工制造。而且，由于在抽筒過程中抽筒子鉤沒有力作用，在優(yōu)化過程被刪除了，但實際結(jié)構(gòu)中該處必須保留用于維持開閂狀態(tài)。因此，以最優(yōu)化材料布局為參考依據(jù)，考慮加工可行性以及火炮工作要求，設(shè)計了一種如圖10所示抽筒子的改進結(jié)構(gòu)。相比于原結(jié)構(gòu)，改進結(jié)構(gòu)的體積與原有抽筒子的體積和厚度相同，但其長臂加寬；并且在與爪緣相對的一面上開輕量化盲孔；短臂末端也通過開盲孔去除一部分材料。

圖9 抽筒子拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖10 抽筒子的改進結(jié)構(gòu)

為了驗證改進后結(jié)構(gòu)的有效性，將改進結(jié)果與原有抽筒子結(jié)構(gòu)進行動態(tài)有限元對比仿真分析，對比模型的載荷和邊界條件一致。圖11給出了改進后抽筒子的有限元分析云圖。可以得出，閂體掛臂初始接觸抽筒子時，由于沖擊作用，在長臂溝槽處以及輕量化孔的圓角處出現(xiàn)一定應(yīng)力集中，但最大應(yīng)力僅為180 MPa左右；在后續(xù)抽筒過程中，最大應(yīng)力僅出現(xiàn)在下端的局部接觸區(qū)域；當(dāng)抽筒力達(dá)到最大時，改進結(jié)構(gòu)的最大接觸應(yīng)力是1 773 MPa，相較于原有結(jié)構(gòu)降低了10.6%。

將圖4與圖11中結(jié)果進行比較可知，改進后結(jié)構(gòu)的長臂溝槽處和短臂圓角處雖然仍有一定程度應(yīng)力集中，但應(yīng)力值有所降低。撞擊接觸處的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到局部改善。輕量化孔圓角附近應(yīng)力略大，但未超過屈服極限。對于接觸處的動應(yīng)力，由于掛臂撞擊抽筒子的過程中接觸位置不斷變化，不可避免地會出現(xiàn)線接觸的情況，因此，很難通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式得以改善。

圖11 抽筒子改進結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力云圖

為直觀顯示優(yōu)化前后抽筒子的動應(yīng)力分布，將改進結(jié)構(gòu)的爪緣根部、長臂溝槽和短臂圓角位置的動應(yīng)力曲線也在圖5中給出。由對比結(jié)果可以得出:改進后爪緣根部的應(yīng)力曲線與原結(jié)構(gòu)變化趨勢一致，但最大值僅為549 MPa，減小了10%；長臂溝槽處最大等效應(yīng)力僅為484 MPa，降低了58%，其應(yīng)力集中改善最明顯；短臂圓角處的應(yīng)力變化曲線與原結(jié)構(gòu)有一定差別，但總體趨勢一致，其最大應(yīng)力值出現(xiàn)在2.7 ms左右，為680 MPa，減小了21%。圖12給出了改進前后結(jié)構(gòu)在抽筒過程中的應(yīng)變能變化曲線。

圖12 改進前后應(yīng)變能變化曲線

從圖中可以看到，改進后結(jié)構(gòu)在抽筒過程中的應(yīng)變能顯著降低，相比于原結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變能最大值降低了49%，即結(jié)構(gòu)剛度增大了49%，表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)不僅性能得到明顯改善，而且降低了杠桿式抽筒子斷裂失效的危險。

3 結(jié)論

1）杠桿式抽筒子的動應(yīng)力集中危險區(qū)域出現(xiàn)在長臂溝槽、短臂圓角和撞擊接觸處，且撞擊處的應(yīng)力集中最大。其均有斷裂失效的風(fēng)險，與凸緣式抽筒子的爪根部疲勞斷裂有較大差異。

2）杠桿式抽筒子的力學(xué)參數(shù)和工作參數(shù)變化會引起動應(yīng)力出現(xiàn)波動和幅值的變化，但不會使得動應(yīng)力響應(yīng)的總體趨勢改變。其中，彈性模量、密度和撞擊速度對動應(yīng)力波動有較大影響，平板厚度對幅值變化有較大影響，泊松比對幅值和波動變化幾乎都無影響。

3）通過抽筒子改進結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)的對比仿真結(jié)果可知，優(yōu)化后的抽筒子僅剩余撞擊接觸位置為危險區(qū)域，最大動應(yīng)力也降低了10.6%。優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能變化趨勢不變，但峰值也降低了49%。

所用方法有效可靠，獲得的結(jié)果為解決中小口徑火炮抽筒子的斷裂問題提供理論依據(jù)和技術(shù)手段，對提高火炮生存力和可靠性有重要意義。

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Dynamic Characteristics and Structural Optimization Design of Level-type Cartridge Extractor

LIU Xiu-lian1，2，HU Sheng-hai1，ZHANG Man-hui1，CHEN Xi3
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.School of Mechanical Engineering，Heilongjiang Science and Technology Institute，Harbin 150022，China；3.Changchun Railway Vehicles Co.LTD，Changchun 130022，China）

To the dynamic fracture failure of the level-type cartridge extractor in the extraction process，the dynamic characteristics analysis and topology optimization design are both carried out based on the dynamics and finite element theory.The distribution of dynamic stress and risk areas are obtained during the short period extraction process，the influences of mechanical parameters and the working parameters are analyzed qualitatively.Moreover，the optimal material layout and improvement structure of the cartridge extractor are implemented.Through the physical simulations of the original and optimal structure model，the comparison results show that only the impact position in the improvement structure belongs to risk area，of which maximum dynamic stress reduces 10.6%and the structural stiffness improves 49%.The analysis method and technological process is effective and reasonable，which provides theoretical basis and feasible solution for the fracture failure problems of the level-type cartridge extractor.

level-type cartridge extractor，dynamic stress，finite element，optimization design

TJ<303.8 class="emphasis_bold">303.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A303.8

A

1002-0640（2017）03-0117-05

2016-02-04

2016-03-07

國家自然科學(xué)基金資助項目（51175099）

劉秀蓮（1979- ），女，黑龍江哈爾濱人，講師。研究方向：機械設(shè)計。