某自動機阻鐵斷裂分析

劉紅林，戴勁松，王茂森，稅華，施建國

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

在某火炮后坐運動過程中，推彈滑座向后運動撞擊解脫器，迫使解脫器向下運動，解脫器又把運動傳遞給相關零件，從而帶動阻鐵順時針轉動。阻鐵轉動到位后，推彈滑座順利的完成后坐運動，在這個過程中復進簧儲存能量。在復進時，阻鐵在復位簧的作用下已經復位，復進簧釋放的能量推動推彈滑座向前運動，這時推彈滑座與阻鐵就發生碰撞。在阻鐵運動過程中如果阻鐵出現斷裂現象，將會導致如下的故障:1）扣機整體無法正常工作，導致火炮不能停射;2）復進時間過長，導致射速降低，不能達到規定的技術指標。

本文采用ANSYS分析軟件，利用非線性有限元方法，重點針對阻鐵與推彈滑座的碰撞過程進行仿真分析。

1 阻鐵的斷裂表現

通過對多次試驗結果的觀察，發現阻鐵斷裂形式表現如圖1所示:

對阻鐵所在的扣機組件進行拆卸，發現阻鐵斷裂的裂紋發生在阻鐵頭部的滑座撥叉軸孔附近。其斷裂如圖1所示。初步分析斷裂的原因可能有兩個:1）復進簧傳遞給推彈滑座的力過大;2）推彈滑座與阻鐵發生多次碰撞，疲勞引起阻鐵斷裂。

圖1 阻鐵斷裂圖

2 阻鐵與推彈滑座的裝配位置關系［1］

從裝配圖2中可以看出，阻鐵是通過阻鐵軸固定在扣機體中，并且在運動過程中可繞阻鐵軸轉動，推彈滑座的運動是在火炮射擊過程中隨火炮復進和后坐而做前后運動。在火炮后坐時，阻鐵會繞阻鐵軸發生順時針轉動，從而為推彈滑座的運動讓出位置。而在火炮的復進時，推彈滑座在復進簧的作用下向前運動從而與已經復位的阻鐵發生接觸碰撞。

圖2 阻鐵與推彈滑座裝配關系圖

3 阻鐵的有限元模型

3.1 建立模型劃分網格

為了分析方便，在符合實際要求的前提下，首先對模型進行簡化處理，將阻鐵與推彈滑座接觸過程中不相關的其他零部件全部忽略處理，將約束阻鐵運動的阻鐵軸和滑座撥叉軸簡化為約束條件。再運用專業的三維建模軟件完成對阻鐵和推彈滑座模型的建立，模型建立好后，將模型導入ANSYS進行網格劃分。網格劃分是有限元分析過程中至關重要的環節，網格的品質和平滑度直接影響到結果的精確度，因此，對阻鐵和推彈滑座進行網格劃分時采用多種網格相結合。在劃分網格時，對于阻鐵主要采用四面體網格劃分，網格單元邊界尺寸為0.002mm;而對推彈滑座主要采用六面體、棱錐和棱柱相結合的網格劃分方法，網格單元的邊界尺寸為0.003mm。其劃分的網格如圖3所示:

圖3 阻鐵與推彈滑座有限元模型

查閱相關資料［2］，阻鐵的材料性能接近于結構鋼30Cr，其彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.29，屈服極限σs=685MPa，強度極限σb=885MPa。

3.2 阻鐵與推彈滑座的約束條件

阻鐵的第一個約束條件加在阻鐵軸孔以及滑座撥叉軸孔上，用以限制x方向及y方向上的位移;第二個約束夾在阻鐵的下凸臺上，用以限制阻鐵y方向上的運動，其約束圖如下圖4所示。

圖4 阻鐵約束圖

推彈滑座的約束施加在兩個側面上，限制其x方向及z方向的運動。

3.3 接觸分析

兩獨立表面相互接觸并相切，則稱之為接觸。一般物理意義上，接觸的表面包含:不會滲透;可傳遞法向壓縮力和切向摩擦力;通常不傳遞法向拉伸力的特性。接觸問題是一種高度非線性行為，需要較大的計算資源，接觸面能夠有效地模擬相碰撞結構之間的相互作用，并允許結構之間連續不斷地接觸和滑動。

接觸問題存在兩個較大的難點:1）在求解問題之前，不知道接觸區域，表面之間是接觸或分開是未知的、突然變化的，這隨載荷、材料、邊界條件和其他因素而定;2）大多的接觸問題需要計算摩擦，有幾種摩擦和模型供挑選，它們都是非線性的，摩擦使問題的收斂性變得困難。ANSYS通過牛頓—拉普森（NR）平衡疊代很好地克服了這種困難，并提供了如自適應下降、線性搜索、自動載荷步等一系列方法來增強問題的收斂性［3］。

本文模型采用自動單面接觸（ASSC）和自動面-面接觸（ASTS），靜動摩擦系數均采用0.1。

4 有限元分析結果

采用ANSYS軟件對阻鐵與推彈滑座進行有限元分析，由于阻鐵斷裂的原因尚不明確，因此分別對它們進行靜力學分析及顯式動力學分析。

4.1 靜力學分析

在火炮復進時，復進簧復位并推動推彈滑座向前運動并與阻鐵發生碰撞，復進簧繼續釋放能量，推彈滑座擠壓阻鐵。在靜力學分析模型中，假設阻鐵與推彈滑座之間無相對運動，復進簧以3000N的作用力推動推彈滑座擠壓阻鐵。

推彈滑座和阻鐵的靜力學模型被劃分為200552個節點，組成57104個單元。阻鐵的應變云圖和應力云圖如圖5和圖6所示。

靜力學分析結果顯示:等效彈性應變為4.3994e-4;最大應力為87.988MPa。靜力學分析結果的最大應力遠小于阻鐵材料的屈服應力σs=685MPa，所以在靜力學分析中，復進簧彈性力作用不會引起阻鐵出現屈服或大變形現象，不會造成阻鐵的斷裂。

圖5 等效彈性應變云圖

圖6 等效應力云圖

4.2 顯式動力學分析

在火炮的復進過程中，由于復進簧釋放能量，推動彈滑座向前運動，以6.675m/s的速度與阻鐵產生碰撞。在ANSYS的顯式動力學分析中，廣泛采用顯式中心差分法來求解。顯式算法不需要進行矩陣分解或求逆，無總體剛度矩陣，無須求解聯立方程組，計算速度快;不存在收斂性問題，依靠小時步保證計算精度，保證時間積分的精度［4］。本文模型的碰撞過程仿真采用增強拉格朗日法［5］:

式中:M為質量矩陣，A為加速度向量;Fe為外力矢量;Fc為接觸力矢量;F為內力矢量。

推彈滑座和阻鐵的動力學模型被劃分為49552個節點，組成63769個單元。其應變云圖和應力云圖如圖7和圖8所示。

動力學分析結果顯示:等效彈性應變為0.20952;最大應力為612.94MPa。動力學分析結果的最大應力接近阻鐵材料的的屈服應力σs=685MPa，這說明碰撞力的作用會導致阻鐵的前端首先產生屈服現象，隨著碰撞次數的增加，開始在阻鐵的頭部出現裂紋，直至最后斷裂。

圖7 等效彈性應變云圖

圖8 等效應力云圖

5 結論

通過有限元分析軟件對阻鐵斷裂問題進行分析和研究，綜合上述分析結果發現，在推彈滑座與阻鐵接觸碰撞時，碰撞力是導致阻鐵隨著射擊次數增加最后斷裂的主要因素，復進簧的彈性力作用影響較小。有限元的分析結果與阻鐵試驗的實際情況基本符合。

通過這樣的分析，對于充分掌握在火炮發射時阻鐵的受力情況，有效避免由于阻鐵斷裂引起的火炮故障的發生具有十分重要的參考意義。

［1］梁世瑞.現代火炮自動機技術［M］.北京:兵器工業出版社，1995.

［2］機械設計手冊1.機械設計手冊編委會編著.-3版.北京:機械工業出版社，2004（8）:3-41.

［3］劉濤，楊鳳鵬.精通 ANSYS［M］.北京:清華大學出版社，2002:218-302.

［4］張樂樂，譚南林，焦風川.ANSYS輔助分析應用基礎教程［M］.北京:清華大學出版社;北京交通大學出版社，2006.3:130.

［5］荊友錄，趙長利，張星忠.基于ANSYS/LS—DYNA的貨車縱梁撞擊性能仿真研究［J］.山東交通學院學報，2007（12）:第15卷第4期.