某迫擊炮牽引裝置限位塊仿真分析

戈?duì)N燦，葛建立，楊國來，華陽

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

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭形勢的變化,迫擊炮將向著大威力、強(qiáng)機(jī)動性、高精度等方向發(fā)展[1]。牽引裝置大大地減輕了人力背運(yùn)的負(fù)擔(dān),特別是把大口徑迫擊炮放在牽引裝置上很大程度上提高了其機(jī)動性,增加了戰(zhàn)術(shù)的靈活性,為步兵提供穩(wěn)定可靠的火力支援。我國地域廣闊且地形復(fù)雜,在路面上行駛時(shí),路面對車輪產(chǎn)生激勵(lì),扭力軸和曲柄用于緩沖來自地面的瞬態(tài)沖擊,限位塊用于防止扭轉(zhuǎn)軸過度轉(zhuǎn)動造成損壞,因此,扭力軸和限位塊是牽引裝置的重要零部件,其受力狀態(tài)成為制約牽引裝置能否正常行駛的關(guān)鍵因素之一?；鹋谛旭倳r(shí),地面激勵(lì)從車輪傳到車體使得扭力軸扭轉(zhuǎn),同時(shí)帶動擋塊上、下擺動,反復(fù)碰撞限位塊,會導(dǎo)致限位塊的斷裂。

機(jī)動性和行駛安全性都是牽引裝置在野外作戰(zhàn)行駛時(shí)的重要指標(biāo),扭力軸扭斷、限位塊斷裂均會導(dǎo)致牽引裝置無法正常行駛。筆者將采用整體與局部相結(jié)合的思路研究限位塊的受力狀態(tài)與應(yīng)力狀態(tài),從而為限位塊的故障分析提供理論指導(dǎo)。對限位塊進(jìn)行有限元分析的難點(diǎn)在于限位塊上接觸力的獲取。利用有限元軟件直接對迫擊炮及牽引裝置整體進(jìn)行仿真分析、計(jì)算行駛狀態(tài)下限位塊受到的應(yīng)力,耗時(shí)長且計(jì)算困難,多體動力學(xué)方法計(jì)算速度快,具有成熟的行駛動力學(xué)分析功能。因此,采用多體動力學(xué)方法建立迫擊炮牽引裝置行駛動力學(xué)模型,計(jì)算獲得限位塊沖擊載荷。然后建立上、下限位塊的精細(xì)有限元模型,進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)和疲勞分析,獲得限位塊動態(tài)應(yīng)力分布和疲勞壽命。目前已有很多針對火炮進(jìn)行多體動力學(xué)以及有限元[2-3]方面的研究。錢明偉等[4]基于Kane方法建立了適應(yīng)于自行火炮行進(jìn)間動態(tài)特性仿真研究的多剛體動力學(xué)模型,得出路面不平度引起的車體擾動較大;覃凌云等[5]基于履帶車輛負(fù)重輪動載荷理論估算模型及履帶車輛多體動力學(xué)模型,分別開展行駛速度、路面不平度及履帶板參數(shù)對負(fù)重輪動載荷的影響分析,為履帶車輛的性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。筆者針對限位塊斷裂這一故障進(jìn)行仿真分析,得出斷裂位置以及限位塊所受到最大應(yīng)力值并與實(shí)際斷裂情況進(jìn)行對比,并通過疲勞計(jì)算得出易斷裂位置的壽命。

1 多體動力學(xué)建模仿真

1.1 路面建模

路面不平度是牽引裝置行駛動力學(xué)建模的重點(diǎn)之一。路面不平度是指道路表面相對于已知理想基準(zhǔn)平面的偏離程度[6]。對于路面不平度,可以通過路面功率譜密度來描述其統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)。根據(jù)路面功率譜密度,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出將路面劃分為8個(gè)不平等級[7],不同等級路面對應(yīng)不同的值。根據(jù)某一路面等級Gq(n0)的取值,將f(f1

(1)

(2)

式中:α為[0,1]的隨機(jī)數(shù);x為路面在x方向上的位移。

編寫路面譜程序,得到E級路面譜文件[9],如圖1所示。

1.2 多體動力學(xué)建模

迫擊炮牽引裝置模型由炮身、座鈑、牽引部、軸承、輪胎、軸套、輪軸、曲臂、炮箍、扭力軸、限位塊等部分組成。該模型主要研究的是牽引裝置限位塊的受力情況,在不影響計(jì)算精度的前提下,對迫擊炮進(jìn)行一定程度的簡化,從而減小模型規(guī)模、提高仿真效率。主要的連接關(guān)系及簡化:

1)在運(yùn)動中,座鈑和炮身的各個(gè)部件不存在相對運(yùn)動,因此均視為剛體。

2)炮身前端與牽引部通過移動副連接,二者之間加入彈簧阻尼系統(tǒng)以體現(xiàn)牽引部對炮身的緩沖作用;牽引部前端圓環(huán)套在拉索中,拉索與牽引部圓環(huán)之間設(shè)置剛性接觸,拉索上設(shè)置沿全局坐標(biāo)系X軸反方向的移動副,以模擬前車對迫擊炮的牽引。

3)將扭力軸設(shè)為柔性體,其兩端分別與中心管和端蓋固定連接,并且在中心管和端蓋之間設(shè)置轉(zhuǎn)動副使其相對轉(zhuǎn)動,提供緩沖的扭矩。

4)限位塊位于外側(cè)的軸上,當(dāng)迫擊炮向下移動距離較大時(shí),擋塊會與限位塊發(fā)生碰撞,限制扭力軸的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動。

牽引裝置局部模型如圖2所示。

輪胎選擇RecurDyn軟件輪胎模塊中的Fiala輪胎模型,根據(jù)牽引裝置輪胎實(shí)際情況,并參考了文獻(xiàn)[10-11]得出仿真過程中所需的輪胎參數(shù)值,如表1所示。

表1 輪胎參數(shù)

1.3 接觸建模

機(jī)械系統(tǒng)中構(gòu)件實(shí)際上的約束、力的傳遞大部分是通過接觸實(shí)現(xiàn)的,接觸可以看作是一個(gè)動態(tài)變化的約束,屬單邊約束問題。當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件之間發(fā)生接觸行為時(shí),會在接觸位置產(chǎn)生接觸力[12]。艾伯哈特[13]結(jié)合了有限元和多剛體方法的優(yōu)點(diǎn),建立多剛體/有限元混合算法,解決了柔性多體系統(tǒng)接觸問題。RecurDyn計(jì)算接觸力是基于Hertz接觸理論[14],并在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn),法向接觸力fn計(jì)算公式為

(3)

本模型中,在下限位塊和擋塊上表面安裝緩沖墊,在擋塊與上、下限位塊接觸碰撞時(shí)起到緩沖作用。因此,上、下限位塊受到的接觸力是剛性體限位塊與柔性體緩沖墊之間接觸碰撞產(chǎn)生的,在RecurDyn中把緩沖墊定義為柔性體。

在下限位塊上的橡膠墊表面與擋塊下表面建立柔性面-剛性面接觸,在擋塊上的橡膠墊表面與上限位塊之間建立柔性面-剛性面接觸,接觸模型如圖3所示。

1.4 仿真結(jié)果分析

模型施加的驅(qū)動為迫擊炮最前端拉索處的沿全局坐標(biāo)系x軸負(fù)向的速度。設(shè)置柔性面與剛性面接觸剛度和阻尼系數(shù),柔性面與剛性面接觸剛度為25 N/mm,阻尼系數(shù)為2.5 N/(s·m)。仿真10 s得到牽引裝置以25 km/h速度行駛在E級路面上時(shí)兩邊限位塊受到的碰撞接觸力,如圖4所示。由圖可知,上限位塊受到的接觸力最大值為5 293.48 N,下限位塊為7 825.03 N。據(jù)此結(jié)果,運(yùn)用ABAQUS軟件對上下限位塊進(jìn)行有限元應(yīng)力分析,選擇圖4(a)中最大峰值及附近時(shí)間段內(nèi)的值作為上限位塊顯式動力學(xué)分析中施加的載荷,選擇圖4(b)中在最大峰值及附近時(shí)間段內(nèi)的值作為下限位塊顯示動力學(xué)分析中施加的載荷。

2 有限元建模仿真

2.1 有限元建模

采用Hypermesh分別建立上、下限位塊有限元模型,結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。焊縫、套筒及限位塊材料為鋼,緩沖墊材料為橡膠[15]。

表2 限位塊模型參數(shù)

兩模型單元類型均為C3D8R實(shí)體單元網(wǎng)格,下限位塊與套筒模型共劃分57 554個(gè)網(wǎng)格,66 083個(gè)節(jié)點(diǎn);上限位塊與套筒模型共劃分64 800個(gè)網(wǎng)格,70 138個(gè)節(jié)點(diǎn)。

將套筒端完全固定,分析上限位塊時(shí),將均布載荷施加在限位塊的表面;分析下限位塊時(shí),將均布載荷施加在緩沖墊上,緩沖墊安置在下限位塊槽里,因此,緩沖墊下表面與限位塊槽的內(nèi)表面設(shè)置接觸,如圖5所示。采用顯式動力學(xué)分析步。

2.2 仿真結(jié)果分析

ABAQUS分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,上限位塊應(yīng)力最大值為121.5 MPa,該位置位于限位塊與套筒焊縫邊緣處,在限位塊彎轉(zhuǎn)處應(yīng)力也較大,其值為111.4 MPa;下限位塊應(yīng)力最大值為300.8 MPa,該位置位于限位塊的U形彎轉(zhuǎn)處,該處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,限位塊與套筒焊縫邊緣處應(yīng)力也較大,其最大應(yīng)力值為250 MPa。

上、下限位塊最大應(yīng)力動態(tài)曲線圖如圖7所示。從圖中可以看出,上、下限位塊受到最大應(yīng)力均為先增大后減小,且總體趨勢與受單次沖擊力的趨勢相同。由表2可知,鋼的屈服強(qiáng)度為355 MPa,由應(yīng)力分布結(jié)果可知,上限位塊在受到最大接觸力時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力滿足屈服強(qiáng)度,發(fā)生彈性變形,下限位塊在受到最大接觸力時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力接近屈服強(qiáng)度。下限位塊較上限位塊所受最大應(yīng)力更大,由于結(jié)構(gòu)不同,下限位塊的U形彎轉(zhuǎn)處更容易產(chǎn)生大的應(yīng)力,兩者均在彎轉(zhuǎn)處以及焊縫邊緣處有較大應(yīng)力。

3 疲勞分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 疲勞分析模型

由有限元分析,限位塊所受的最大應(yīng)力均在屈服強(qiáng)度范圍內(nèi),單次撞擊不會使限位塊發(fā)生斷裂,因此將進(jìn)一步對限位塊進(jìn)行疲勞分析。

MINER法則又稱線性累計(jì)損傷理論,在很多疲勞累計(jì)理論中是最簡單、最常用的。MINER法則認(rèn)為材料的疲勞破壞是由于循環(huán)載荷的不斷作用而產(chǎn)生損傷并不斷累積造成的;疲勞損傷累積達(dá)到破壞時(shí)吸收的凈功W與疲勞載荷的歷時(shí)無關(guān),并且材料的疲勞損傷程度與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成正比。設(shè)材料在某應(yīng)力下達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N1,經(jīng)n1次應(yīng)力循環(huán)而疲勞損傷吸收的凈功為W1,根據(jù)MINER理論有

(4)

則在第i個(gè)應(yīng)力水平級別下對應(yīng)經(jīng)過Ni次應(yīng)力循環(huán)時(shí),材料疲勞累計(jì)損傷為

(5)

式中:ni為第i級應(yīng)力水平下經(jīng)過的應(yīng)力循環(huán)次數(shù);Ni為第i級應(yīng)力水平下達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。當(dāng)D>1時(shí)零件發(fā)生疲勞破壞。

對限位塊載荷分析,采用S-N疲勞設(shè)計(jì)和靜態(tài)疲勞分析法,用ABAQUS軟件對上、下限位塊進(jìn)行靜力學(xué)分析,再利用nCode-Design-Lifer軟件進(jìn)行疲勞可靠性分析,確定限位塊容易發(fā)生疲勞破壞的位置和各節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。

3.2 疲勞分析結(jié)果

疲勞分析載荷譜采用時(shí)間序列載荷譜,在ABAQUS中用單位載荷對限位塊進(jìn)行靜力學(xué)分析,把多體動力學(xué)仿真得到的載荷轉(zhuǎn)換成時(shí)間序列載荷,在nCode中搭建分析流程,在材料庫中建立材料,抗拉極限為600 MPa,彈性模量為210 GPa,屈服極限為355 MPa,材料的S-N曲線采用Goodman法修正,將各個(gè)參數(shù)設(shè)定好后進(jìn)行流程的運(yùn)行分析,以上限位塊為例搭建的分析流程圖如圖8所示,運(yùn)行結(jié)束得到的疲勞分析結(jié)果云圖如圖9和10所示。

由仿真結(jié)果圖9、10知,上限位塊疲勞壽命最小的地方位于焊縫邊緣處,可循環(huán)次數(shù)為5.202×106次;下限位塊疲勞壽命最小地方位于U形彎轉(zhuǎn)處和限位塊與套筒焊縫連接處,可循環(huán)次數(shù)為1.591×104次,發(fā)生此循環(huán)一次時(shí)間為10 s,因此,上限位塊可工作14 450 h,下限位塊可工作44.3 h。按照牽引裝置25 km/h計(jì)算,上限位塊發(fā)生斷裂里程數(shù)為361 250 km,下限位塊發(fā)生斷裂的里程數(shù)為1 104.9 km,上限位塊壽命較長,下限位塊較上限位塊更容易斷裂。下限位塊在U形彎轉(zhuǎn)處和與套筒焊縫連接處均易發(fā)生斷裂,如圖11所示。圖11所示的某限位塊與套筒連接處焊縫裂紋,與圖10(b)裂紋位置為同一視角。

3.3 優(yōu)化仿真分析

根據(jù)仿真結(jié)果對限位塊提出改進(jìn),針對限位塊的斷裂位置,運(yùn)用Optistruct對U形槽進(jìn)行形狀優(yōu)化,并選擇高強(qiáng)度鋼Q460作為限位塊材料。優(yōu)化后的形狀、應(yīng)力結(jié)果及疲勞壽命圖如圖12～14所示。

由圖14可知,優(yōu)化后的疲勞壽命為4.922×106次,按照牽引裝置25 km/h計(jì)算得出壽命為可行駛341 805.6 km,優(yōu)化后限位塊的壽命大幅度提高。

4 結(jié)束語

基于多體動力學(xué)方法和有限元法,對某迫擊炮牽引裝置限位塊進(jìn)行受力狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)分析,獲得了限位塊沖擊載荷和應(yīng)力分布規(guī)律,得到限位塊相應(yīng)的應(yīng)力最大點(diǎn)即是易發(fā)生斷裂破壞的位置。上限位塊易發(fā)生破壞的地方位于焊縫邊緣處和彎轉(zhuǎn)處,下限位塊易發(fā)生斷裂的地方位于U形彎轉(zhuǎn)處和焊縫邊緣處。由于接觸碰撞力作用時(shí)間短,短暫的單次沖擊載荷不足以對限位塊造成嚴(yán)重的損傷,但在牽引裝置行駛過程中,擋塊反復(fù)碰撞限位塊,每次碰撞都會對限位塊造成一定的損傷,當(dāng)損傷累積到一定程度,限位塊就會發(fā)生斷裂;且下限位塊碰撞力較大,產(chǎn)生的應(yīng)力接近屈服強(qiáng)度,因此每次碰撞帶來的損傷較大,較短時(shí)間內(nèi)易發(fā)生破壞?；趎Code軟件對限位塊進(jìn)一步疲勞分析,得出限位塊易斷裂位置的疲勞壽命,并對該位置進(jìn)行形狀優(yōu)化,優(yōu)化后限位塊整體壽命大幅度提升。