某高炮炮塔輕量化設(shè)計(jì)研究

田亞鋒，范天峰，張?zhí)剑c陽(yáng)，寧變芳，王華亭

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

防空高炮作為摧毀來(lái)襲目標(biāo)的最后一道防御網(wǎng)[1]，對(duì)高炮的射擊精度具有更高要求，炮塔作為高炮系統(tǒng)重要的承載部件，炮塔的剛度對(duì)射擊精度有較大的影響；另外，高炮總體對(duì)質(zhì)量、尺寸等指標(biāo)有嚴(yán)格控制，減重有利于提高裝備的機(jī)動(dòng)性且更利于運(yùn)輸，但是減重可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度，因此需要在炮塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行剛強(qiáng)度分析[2]。筆者基于結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度理論，采用ANSYS workbench有限元仿真軟件，在對(duì)樣機(jī)方案進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)炮塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)改進(jìn)后炮塔本體方案進(jìn)行剛強(qiáng)度分析，完成炮塔的輕量化設(shè)計(jì)。

1 理論分析

進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，需在滿足剛強(qiáng)度的前提下進(jìn)行。強(qiáng)度理論旨在研究材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的屈服和破壞規(guī)律。最大剪應(yīng)力理論又稱為Tersca-Guest理論，該理論認(rèn)為導(dǎo)致屈服的是最大剪應(yīng)力。

剛度指結(jié)構(gòu)在工作時(shí)所產(chǎn)生的彈性變形不超過(guò)正常工作所允許的限度。結(jié)構(gòu)在彎矩作用下會(huì)發(fā)生彎曲變形，其抵抗彎曲變形的能力被稱為抗彎剛度[3]。

在數(shù)值計(jì)算中常用靜載荷下結(jié)構(gòu)的變形量衡量結(jié)構(gòu)剛度，變形量越大，剛度越差，反之則越好。

1.1 炮塔受力分析

炮塔通常由炮塔底板、左右托架、搖架、耳軸、自動(dòng)機(jī)等組成。自動(dòng)機(jī)隨搖架繞耳軸中心作俯仰運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上下俯仰射擊；炮塔通過(guò)座圈繞座圈中心轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方位360°射擊。

火炮在射擊時(shí)，受到后坐阻力以及自重的作用，通過(guò)搖架導(dǎo)軌支撐力及反后坐裝置的后坐阻力傳遞給炮塔。本文炮塔采用中炮布置，因此后坐阻力分布于座圈中心豎直面上，且由于炮塔可以繞座圈轉(zhuǎn)動(dòng)，忽略炮塔質(zhì)心相對(duì)于座圈中心的微小偏移量，理想狀態(tài)下，炮塔受到自身重力、后坐阻力在豎直和水平方向的分力以及翻轉(zhuǎn)力矩。因此在剛度評(píng)價(jià)時(shí)，重點(diǎn)分析在豎直方向上炮塔各組成單元的剛度，然后對(duì)炮塔整體的剛強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算[4]?；鹋谠谏鋼暨^(guò)程中，按照俯仰角度不同，后坐力作用方向隨之改變，俯仰角為0°、45°、85°射擊時(shí)3種工況下炮塔所受載荷如表1所示。

表1 搖架前后導(dǎo)軌支撐反力 kN

1.2 火炮剛強(qiáng)度評(píng)價(jià)

結(jié)合剛強(qiáng)度理論以及炮塔所受載荷，需要選擇合理的指標(biāo)評(píng)價(jià)炮塔剛強(qiáng)度。

1)炮塔最大合變形：反映射擊時(shí)炮塔整體在后坐力以及其他載荷的作用下，炮塔某一位置最大的變形量，反映炮塔整體的剛度，最大合變形越小，剛度越好。

2)左右托架耳軸室周圍最大變形：直接反映到搖架的平動(dòng)和擺動(dòng)，進(jìn)而影響火炮射擊精度。

3)炮塔最大等效應(yīng)力：反映射擊時(shí)炮塔承受最大載荷的能力。

本文中樣機(jī)方案經(jīng)過(guò)射擊試驗(yàn)驗(yàn)證，炮塔剛強(qiáng)度滿足精度指標(biāo)要求，但需減重15%以上，因此以樣機(jī)方案中炮塔剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，對(duì)炮塔本體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2 樣機(jī)方案剛強(qiáng)度計(jì)算

炮塔本體的主要組成及質(zhì)量分布如表2所示。

表2 炮塔本體組成表

2.1 有限元計(jì)算模型

計(jì)算模型包含炮塔本體、搖架以及耳軸。將簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入ANSYS workbench中，采用高階四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格[5]，采用多點(diǎn)約束梁?jiǎn)卧B接模擬各組成之間的螺釘連接，耳軸與左右托架之間通過(guò)定義接觸連接；約束炮塔與座圈連接面3個(gè)方向自由度[6]。施加計(jì)算載荷、重力、彈簧力等。計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 材料屬性

炮塔本體、搖架材料為ZL205A，耳軸采用鋼40Cr，有限元分析中，基本參數(shù)如表3所示。

表3 材料參數(shù)

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

基于有限元計(jì)算模型，調(diào)整載荷大小，計(jì)算3種工況下炮塔的變形以及等效應(yīng)力。圖2為0°射角時(shí)炮塔本體變形以及應(yīng)力云圖，表4為3種射角下剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

表4 炮塔計(jì)算結(jié)果匯總

參數(shù) 射角0°45°85°最大合變形/mm1.290.820.45耳軸孔最大變形/mm0.450.260.31炮塔最大等效應(yīng)力/MPa144.584.533.6

3種工況下炮塔最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在平衡機(jī)導(dǎo)向輪座根部，0°射角等效應(yīng)力最大為144.5 MPa，耳軸孔周圍加強(qiáng)筋根部應(yīng)力小于35 MPa；3種射角中0°及85°射角耳軸孔最大變形均為0.45 mm.由于0°射角平衡機(jī)彈簧力較大，平衡機(jī)導(dǎo)向輪座最大變形為1.29 mm.

3 炮塔模型優(yōu)化

原有模型中炮塔底板、左托架及右托架，均采用鋁合金鑄造實(shí)心加強(qiáng)筋，質(zhì)量分布如表5所示，對(duì)加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化?；诘刃Ъ虞d，通過(guò)改變加強(qiáng)筋的截面形式，分析改進(jìn)前后加強(qiáng)筋的剛強(qiáng)度變化。

表5 主要部件中加強(qiáng)筋質(zhì)量分布 kg

3.1 耳軸室輻射筋優(yōu)化

3.1.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及仿真計(jì)算模型

火炮在射擊時(shí)通過(guò)耳軸將后坐力以及俯仰部分質(zhì)量傳遞到左右托架，理想狀態(tài)下，耳軸輻射加強(qiáng)筋受到沿耳軸徑向的壓力以及沿耳軸室周向的剪切力。

根據(jù)受力分析，不改變加強(qiáng)筋在托架立面內(nèi)剛強(qiáng)度的前提下，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。擬將方案中的加強(qiáng)筋改為“工”字型筋，加強(qiáng)筋截面如圖3所示，加強(qiáng)筋長(zhǎng)度為500 mm，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的截面尺寸，建立了4種改進(jìn)方案，各方案的結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量如表6所示。

表6 各方案幾何尺寸及質(zhì)量

方案幾何尺寸/mmLH質(zhì)量/kg質(zhì)量?jī)?yōu)化/%方案130151.42939.1方案235151.55133.9方案33616.51.49236.4方案43716.51.51335.5原方案——2.347—

加強(qiáng)筋材料屬性與2.2節(jié)相同，在保證加強(qiáng)筋長(zhǎng)度、載荷大小以及加載位置均一致的前提下，采用6面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸5 mm，建立仿真計(jì)算模型。圖4為改進(jìn)前后有限元計(jì)算模型。

3.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

加載載荷從20 N遞增至1 020 N，針對(duì)5種方案進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，圖5為5種方案中加強(qiáng)筋最大變形統(tǒng)計(jì)。

通過(guò)計(jì)算可知，5種方案在等效加載情況下，最大應(yīng)力為95 MPa，屬于彈性變形；方案4對(duì)加強(qiáng)筋進(jìn)行減重的同時(shí)，質(zhì)量減小35.5%，對(duì)加強(qiáng)筋寬度進(jìn)行適當(dāng)增加，可以有效提高加強(qiáng)筋在寬度方向上的抗彎剛度，變形減小2%.

3.2 炮塔底板縱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2.1 有限元計(jì)算模型

炮塔底板采用兩根對(duì)稱布置的縱梁與座圈安裝環(huán)筋相連，且縱梁的正上方布置左右托架，射擊時(shí)縱梁主要提供豎直方向的支撐力以及垂直方向的抗彎剛度。

原方案中縱梁為實(shí)心筋結(jié)構(gòu)，取單根進(jìn)行受力分析，保證長(zhǎng)度1 220 mm不變，調(diào)整截面形狀如圖6所示，結(jié)構(gòu)尺寸及減重效果如表7所示，加載載荷從50 N遞增至2 700 N，建立計(jì)算模型。

表7 4種改進(jìn)方案幾何尺寸及質(zhì)量

方案幾何尺寸/mmHH1D質(zhì)量/kg質(zhì)量?jī)?yōu)化/%方案1———15.3319.3方案262406515.6117.8方案364426015.3319.3方案468465615.5318.2原方案———19.00—

3.2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

針對(duì)5種方案,采用等效加載方式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，改進(jìn)前后各方案加強(qiáng)筋變形及應(yīng)力曲線如圖7所示。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，5種方案加強(qiáng)筋在加載到2 700 N的情況下最大應(yīng)力為129 MPa,小于材料的許用應(yīng)力，均屬于彈性變形；從變形以及應(yīng)力曲線可知，改進(jìn)方案4在應(yīng)力與原方案變化不大的前提下，質(zhì)量比原方案減小18.2%，變形比原方案減小2%.

3.3 座圈安裝環(huán)環(huán)面尺寸對(duì)剛強(qiáng)度影響

表5中炮塔底板環(huán)形筋為實(shí)心矩型截面，質(zhì)量47 kg，參照3.2節(jié)計(jì)算結(jié)果，在不改變安裝高度的情況下，將截面改為階梯型，截面形狀如圖8所示。

3.4 炮塔優(yōu)化模型建立

基于上述計(jì)算分析，按照3.1節(jié)加強(qiáng)筋的優(yōu)化截面，對(duì)左右托架中耳軸室輻射筋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；按照3.2節(jié)、3.3節(jié)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)炮塔底板中縱梁和座圈環(huán)筋進(jìn)行截面優(yōu)化處理，并對(duì)炮塔本體中其他加強(qiáng)筋進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，對(duì)局部進(jìn)行加強(qiáng)處理，在考慮加工工藝性的基礎(chǔ)上將炮塔底板加強(qiáng)筋改為上下布置，改進(jìn)后各主要組成部分質(zhì)量如表8所示，計(jì)算模型如圖9所示。

表8 改進(jìn)后各主要組成部分質(zhì)量

4 仿真計(jì)算及對(duì)比分析

基于計(jì)算模型，通過(guò)調(diào)整平衡機(jī)彈簧力、導(dǎo)軌支撐力以及后坐力等載荷大小，計(jì)算了3種工況下的炮塔的變形及等效應(yīng)力。在強(qiáng)度滿足材料許用應(yīng)力的前提下，重點(diǎn)關(guān)注炮塔本體耳軸室附近的變形量大小。圖10為各射角時(shí)炮塔本體在承受外力載荷的情況下的變形云圖。計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 炮塔本體計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)比分析表4和表9得出：

1)由于在0°射角平衡機(jī)力較大，兩種方案最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在平衡機(jī)滑輪座根部，且改進(jìn)后方案應(yīng)力值減小為106.5 MPa，耳軸室周圍加強(qiáng)筋根部應(yīng)力均較小，小于35 MPa，均小于材料的屈服強(qiáng)度。

2)3種射角下耳軸室附近最大變形均小于0.45 mm，改進(jìn)方案較原方案減小4%以上，在45°射角時(shí)減小11%，炮塔本體最大變形均出現(xiàn)在平衡機(jī)滑輪座，均屬于彈性變形。

3)與樣機(jī)方案對(duì)比，在剛強(qiáng)度變化不大的前提下，炮塔本體質(zhì)量由453 kg降為369 kg，減小18.5%.

5 結(jié)論

筆者在對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)方案仿真計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用調(diào)整加強(qiáng)筋截面形式的方法，完成了加強(qiáng)筋剛強(qiáng)度計(jì)算，進(jìn)而完成了炮塔的輕量化設(shè)計(jì)。得出如下結(jié)論：

1)通過(guò)調(diào)整加強(qiáng)筋截面形式進(jìn)行剛強(qiáng)度分析的方法，能夠有效地完成加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化炮塔的輕量化設(shè)計(jì)。炮塔本體質(zhì)量整體減小18.5%，完成了總體對(duì)炮塔的減重要求。

2)在質(zhì)量減輕且滿足材料強(qiáng)度的前提下，耳軸室附近最大變形較原方案減小4%以上，在45°射角時(shí)減小11%.

3)經(jīng)過(guò)對(duì)樣機(jī)方案和改進(jìn)后方案的分析對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了炮塔本體的輕量化設(shè)計(jì)工作，筆者采用的方法能夠?yàn)楹罄m(xù)炮塔輕量化設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)意義。