某35 mm火炮閂體受力測試應(yīng)用研究

張攀攀，張永濤，劉建斌，林倫，寧變芳，唐程遠

(1.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.中國人民解放軍32380部隊，北京 100072)

火炮射擊時，閂體直接承受從藥筒傳遞來的膛內(nèi)火藥燃氣作用力[1-2]，閂體作為火炮的關(guān)鍵零部件，在強振動、高沖擊及周期性的載荷作用下，閂體的可靠性面臨巨大挑戰(zhàn)[3-4]。在火炮自動機設(shè)計中需要盡可能地減小閂體的受力，一方面提高安全性，另一方面有利于自動機的輕量化。在閂體的設(shè)計計算時，經(jīng)常以最大炮膛合力作為閂體計算的輸入條件，但這樣會造成安全系數(shù)選取過大，閂體過于安全，致使整個火炮結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大，不利于輕量化等性能的提升；若設(shè)計時選取小的安全系數(shù)，易造成由閂體壽命不足而引發(fā)嚴重事故。因此，準確獲得射擊過程中閂體的受力情況尤為重要。

近些年，國內(nèi)外學者對火炮閂體性能進行了研究。石明全等利用ADAMS軟件對火炮開閂抽筒過程進行動力學分析，獲得了不同工況下開閂抽筒過程的運動規(guī)律[5]。杜中華等利用ADAMS軟件對炮閂系統(tǒng)進行動力學分析，對開閂板和炮閂凸輪間碰撞力變化規(guī)律進行了研究[6]。楊艷峰等建立了炮閂沖擊試驗臺理論模型，結(jié)合受力分析和動力學理論，對開閂力進行了研究[7]。付帥等建立了火炮開閂動力學模型，對不同工況下的開閂阻力和復進速度變化規(guī)律進行了分析，并對不同抽殼阻力下的開閂阻力變化進行了研究[8]。廖輝建立了火炮的復進開閂抽筒仿真模型，研究了不同開閂方向?qū)Τ橥菜俣?、閂體運動速度等參數(shù)的影響規(guī)律[9]。寧變芳等運用ANASYS的二次開發(fā)語言APDL，進行了炮閂動力學仿真計算，獲得了閂體的應(yīng)變規(guī)律，對閂體的失效進行了研究[10]。

筆者以某35 mm口徑火炮為研究對象，首先從火藥氣體壓力傳遞路徑著手，建立了火炮身管與藥筒作用的有限元模型，綜合考慮藥筒彈塑性變形、藥室內(nèi)壁與藥筒的摩擦力、藥筒及藥室肩部向前的分力等因素對傳遞載荷的影響，獲取藥筒傳遞給閂體的作用力仿真數(shù)據(jù)曲線；其次，搭建閂體動態(tài)受力測試外場試驗系統(tǒng)，通過壓力機完成力傳感器的標定試驗；最后通過外場射擊試驗，得到多組閂體動態(tài)受力測試曲線，并與仿真數(shù)據(jù)曲線進行對比，驗證了測試結(jié)果的正確性，揭示了閂體受力規(guī)律，為火炮閂體安全系數(shù)的選用及優(yōu)化提供有效數(shù)據(jù)。

1 閂體受力的傳統(tǒng)計算

火炮發(fā)射時，藥筒內(nèi)產(chǎn)生巨大的火藥氣體壓力，火藥氣體作用在身管內(nèi)壁及藥筒上，在藥筒產(chǎn)生變形后將載荷傳遞給閂體，射擊過程中閂體受力過程如圖1所示。

在閂體及炮尾受力計算時，一般忽略藥筒的影響，作用在閂體上的力可以簡化為

(1)

式中：pt為最大膛底壓力；dk為膛底的有效直徑。

對同一批號的35 mm曳光燃燒榴彈(砂-電底火)，采用電測法進行膛壓測試，最大膛底壓力為374.87 MPa，通過傳統(tǒng)計算可得閂體受力最大值為755.17 kN。

2 閂體受力的仿真分析

2.1 仿真模型的建立

為了能獲取火炮閂體所受載荷的大小，以后坐部分作為研究對象，將藥筒、身管、閂體裝配并進行有限元計算，同時考慮藥筒彈塑性變形、藥室內(nèi)壁與藥筒間的摩擦力FS、藥室肩部與藥筒向前的分力FN等因素。為了便于計算，忽略其非對稱因素，將模型簡化為軸對稱結(jié)構(gòu)，對藥筒與藥室接觸部位進行網(wǎng)格細化，模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

利用ANSYS瞬態(tài)動力學模塊計算，在身管和藥筒接觸面間添加接觸，約束閂體炮箱支撐面軸向自由度，將膛壓施加到藥筒內(nèi)壁及身管內(nèi)壁火藥氣體作用到的區(qū)域，膛底壓力加載曲線如圖3所示。

將藥筒、身管及閂體的材料均簡化為彈塑性材料，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果分析

通過仿真分析，得到了最大膛壓時刻及膛壓卸載后藥筒與身管之間的等效應(yīng)力和接觸應(yīng)力的分布云圖，如圖4、5所示，同時獲得了藥筒傳遞給閂體的載荷曲線，如圖6所示。由圖6可知，在4.5 ms時間內(nèi)，就已經(jīng)達到了閂體受力的最大值，在最大膛壓時刻，藥筒傳遞給閂體的載荷最大值為571 kN。

3 閂體受力外場測試試驗

3.1 力傳感器的標定

為了能準確測出火炮閂體受力，利用壓電式力傳感器，搭建閂體動態(tài)受力測試試驗系統(tǒng)。為了驗證力傳感器測得數(shù)據(jù)的準確性，需先對力傳感器進行標定試驗，通過實驗室的壓力機進行壓力的加載和驗證。選用量程為30 T的壓力機，力傳感器選用瑞士Kistler公司型號為9091B的大量程動態(tài)力傳感器，力傳感器的性能參數(shù)如表2所示。數(shù)據(jù)采集單元為非標自研的單通道數(shù)據(jù)采集單元，采樣頻率為10 kHz。

表2 力傳感器性能參數(shù)表

驗證試驗臺如圖7所示，通過壓力機對模擬力傳感器加載壓力，由模擬力傳感器將壓力傳遞至力傳感器上，由于壓電效應(yīng)，力傳感器受力時產(chǎn)生電荷，經(jīng)電荷放大單元放大后，通過數(shù)據(jù)采集和處理，將力值在顯示處理單元中顯示。

通過力傳感器驗證試驗臺來對力傳感器進行標定，用壓力機對力傳感器加載200 kN的壓力，同步記錄壓力機和力傳感器顯示的數(shù)值。重復進行3組標定試驗，3組試驗的數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可知，3組試驗中壓力機顯示數(shù)值和壓力傳感器測得數(shù)值的最大誤差為4.07%，平均誤差為3.53%，誤差均小于5%，在試驗允許的誤差范圍之內(nèi)，故該壓力傳感器所測結(jié)果較為準確，滿足壓力測試的需求。

表3 3次驗證試驗統(tǒng)計表

3.2 試驗設(shè)置

火炮閂體動態(tài)強沖擊測試系統(tǒng)主要由火炮試驗樣機、大量程力傳感器、電荷放大單元、數(shù)據(jù)采集單元及顯示處理單元等組成，其組成如圖8所示。

在試驗時，當35 mm電底火填砂彈擊發(fā)后，火藥氣體對藥筒底部產(chǎn)生巨大的膛底壓力，膛底壓力推動閂體內(nèi)部的軸向滑塊向右移動，將力傳遞給力傳感器，由于壓電效應(yīng)，力傳感器受力時產(chǎn)生電荷，電荷經(jīng)過電荷放大單元，將信號傳輸至數(shù)據(jù)采集和處理單元，最終將力值呈現(xiàn)在顯示處理單元中。

通過圖8所示的火炮閂體動態(tài)強沖擊測試系統(tǒng)測試閂體的受力狀態(tài)，具體測試的流程如下：

1)將火炮試驗樣機固定在地面專用底座上，射向與靶道一致，水平射擊；

2)調(diào)整好力傳感器預(yù)壓并達到規(guī)定值，將預(yù)緊好的力傳感器安裝到指定位置；

3)射擊5組，每組1發(fā)，間隔10 min，每組射擊結(jié)束后，對試驗數(shù)據(jù)進行記錄。

3.3 試驗結(jié)果

試驗共獲得5組閂體受力曲線，其中1組射擊過程中閂體受力隨時間變化曲線如圖9所示。

提取出每條曲線中閂體受力最大值，如表4所示。由表4可知，5組閂體受力最大值數(shù)據(jù)中，最高值為560.2 kN，最低值為494 kN，5組閂體受力最大值的平均值為529.5 kN。

表4 閂體受力試驗測試最大值統(tǒng)計表

通過傳統(tǒng)公式計算、仿真計算和試驗測試獲得了閂體受力的最大值，如表5所示，可知35 mm火炮射擊過程中閂體受力最大值的仿真計算值及試驗測試均值比傳統(tǒng)計算值分別降低24.4%、29.9%。

表5 試驗測試值、仿真計算值與傳統(tǒng)計算值對比

將試驗測出的閂體受力結(jié)果與仿真計算結(jié)果對比，如圖10所示。由圖10可知仿真計算與試驗測試得出的閂體受力曲線比較接近，閂體受力最大值的試驗測試均值與仿真計算值誤差小于8%。

4 結(jié)論

筆者以35 mm火炮為研究對象，對射擊過程中閂體受力進行研究，對火炮閂體受力過程進行了有限元仿真，并搭建了火炮閂體受力在線測試系統(tǒng)，對閂體受力進行了試驗測試，得出以下結(jié)論：

1)通過火炮閂體受力在線測試系統(tǒng)，可以實時在線測出閂體的受力情況，且標定誤差在5%以內(nèi)，閂體受力最大值的試驗測試均值與仿真計算值誤差小于8%，該系統(tǒng)可以較為準確地獲得閂體的受力規(guī)律。

2)火炮閂體受力最大值的仿真計算值與傳統(tǒng)計算值對比減小24.4%，試驗測試均值與傳統(tǒng)計算值對比減小29.9%，仿真計算值和試驗值均低于傳統(tǒng)計算值24%以上，說明用傳統(tǒng)方法計算閂體受力與火炮閂體射擊過程實際受力相差較大。

3)本文的研究結(jié)果可以為優(yōu)化火炮閂體受力計算模型提供數(shù)據(jù)支撐，進一步為火炮的輕量化研究提供試驗數(shù)據(jù)。