基于虛擬樣機的遙控武器站托架剛強度與疲勞壽命分析

毛保全，梁博巍，宋 鵬

(裝甲兵工程學院，北京 100072)

遙控武器站系統復雜，載荷較多，作為起到支撐與連接作用的武器站托架，其剛強度校核與壽命預測一直是遙控武器站設計與研發的重點［1，2］。但是就目前測量技術而言，很難通過武器站實物測得到剛強度與疲勞壽命相關的數據［3，4］。因此，利用遙控武器站虛擬樣機技術，對遙控武器站的托架剛強度與疲勞壽命分析的流程、方法與步驟進行探索，得出一套切實可行的分析方案，并完成相關性能的校核，驗證了分析方法的有效性。

1 托架剛強度分析

強度要求是指構建在規定的載荷作用下，應該具有足夠的抵抗破壞的能力; 剛度要求是指構建在規定的載荷作用下，應具有足夠的抵抗變形的能力。即在外力的作用下構件的最大撓度應小于許用撓度，最大轉角應小于許用轉角，即

武器站托架的支撐剛度，對武器站的炮口位移具有十分重要的作用，特別是當系統振型與發射頻率并無共振現象發生時，可以說支撐結構的靜剛度對武器的射彈散布有十分重要的意義［5］。

由于遙控武器站的托架位于遙控武器站的底部，裝配相對牢固，因此，考慮武器站架座等為線彈性系統，忽略部件裝配間隙，對架座進行靜力分析，以其應力和應變是否在材料允許范圍內為評估準則來評估托架的剛度和強度。

1.1 分析流程

利用有限元軟件ANSYS Workbench14. 0，選擇Static Structural 仿真環境對托架進行靜力分析，圖1 所示為有限元仿真流程圖。其中，網格劃分方式應選擇六面體網格，對于復雜結構模型，不同部件可以設置不一樣的網格尺寸，原則是對于較小部件或較關注的部件，網格尺寸相對要小些，其他部件可大些，具體數值要在仿真過程中不斷地調整。圖2為托架結構網格劃分示意圖，表1 為普通碳素鋼材料屬性，表2 為結構網格數據。

圖1 有限元仿真流程

圖2 托架結構網格劃分示意圖

表1 普通碳素鋼材料屬性表

表2 托架結構網格數據

1.2 載荷的計算和施加

對于約束和載荷的施加，要按照實際的工作狀態進行提取和簡化。遙控武器站是通過高低機來實現武器系統在-5°和60°射角范圍內高低俯仰。因此，托架在不同射角工況下的受力不相同，所以要對托架的受力進行分析，找出托架結構受力最嚴峻的工況的載荷(典型工況載荷)作為剛強度分析的施加載荷。

遙控武器站的典型工況根據高低射角的不同分為:0°射角工況、-5°射角工況和60°射角工況。托架在這3 種典型工況下的受力在空間三維坐標上的分量都各自是最大值。所以要針對托架的3 種典型工況進行靜力分析。

12.7 mm 機槍射擊后坐力為FMAX=5 880 N，但是機槍的射擊載荷是瞬態沖擊載荷。在研究零件沖擊強度時，要考慮材料在沖擊載荷下機械性能的改變和對零件沖擊效應的大小。對于托架的結構鋼來說，當應變速率在10-6～10-21/s時，鋼的機械性能無明顯變化。但零件在應變速率更高的情況下，結構鋼的強度極限和屈服極限會隨沖擊速度的增大而大幅提高，而且屈服極限比強度極限提高得更明顯［6-8］。因此把沖擊載荷當作靜載荷來處理，對于托架的結構鋼是比較安全的。

一般對于直接承受動力荷載的結構，在進行強度和穩定性的計算時，動力荷載設計值應乘動力系數，所以，對托架的結構強度校核時，將動載荷乘以動載荷系數轉化為靜載荷進行強度校核，一般火炮架座強度校核時取動載荷系數為2 ～3。安全起見，這里取動載荷系數為Kd=3

1.3 仿真結果

架座主要部件采用35#，其屈服強度為350 ～400 MPa，工程上一般安全系數取1.2 ～2.2，武器站設計手冊取安全系數標準為2。所以架座的許用應力為175 ～200 MPa。

在Workbench Mechanical 有限元分析中給出應力和應變，應力和應變有6 個分量(x、y、z、xy、yz、xz)，由于應力為一分量，因此單從應力分量上很難判斷出系統的響應，在Mechanical 中可以利用安全系數對系統響應做出判斷，它主要取決于所采用的強度理論。在武器設計中，對關重件的強度設計一般采用第三強度理論，在Mechanical 中最大剪切應力Max Shear Stress 為第三強度理論。

托架仿真結果如圖3 所示。

圖3 托架0°、60°、-5°射角工況的等效應力、等效應變和安全系數示意圖

表3 為托架強度評估表，托架在3 個工況下的安全系數雖然小于2，但是大部分結構安全系數≥5，最大等效應力為177.41 MPa，基本滿足強度要求，只是存在應力集中現象。最大等效應變為0.000 904 13 mm/mm。結果滿足設計要求。

一般遙控武器站通常采用35#鋼，其一般的結構設計許用撓度是1/300，特殊用途的結構設計許用撓度為1/500。對于托架，在此按特殊用途結構來看代。托架可以簡化為一懸臂梁，其許用變形量為火線高和許用撓度的乘積。火線高為767 mm，取許用撓度是1/500，所以許用變形量為1.53 mm。從仿真結果可以看到，托架的最大變形為0.24 mm，小于許用變形，所以托架剛度滿足結構材料的要求。

表3 托架強度評估表

1.4 結論

1)利用限元軟件對遙控武器站托架進行網格劃分時應當注意網格劃分的細致程度，對關注部位(如托架底部)應進行較為細致的劃分;

2)在計算強度和穩定性時，動力荷載設計值應乘動力系數，一般火炮架座強度校核時取動載荷系數為Kd=3;

3)遙控武器站托架可以近似簡化為一懸臂梁，其許用變形量為火線高和許用撓度的乘積。

2 疲勞壽命分析

疲勞壽命是結構的一個重要性能指標。疲勞是在名義應力低于材料屈服強度，無明顯塑性變形且結構破壞前的情況下，突然發生斷裂的一種機械損傷過程。所以在結構滿足剛強度指標要求的同時，有必要對遙控武器站托架的疲勞壽命進行分析和預估。

2.1 確定疲勞壽命的方法

確定結構疲勞壽命的方法主要有2 類:試驗法和試驗分析法。試驗分析法簡稱分析法。試驗法是完全依賴傳統試驗的方法。分析法是依據材料的疲勞性能，對照結構所受到的載荷歷程，按分析模型來確定結構的疲勞壽命。疲勞壽命分析方法的研究與采用，能降低疲勞分析對大量試驗的依賴性，一直是研究的熱點。在工程中比較常用的分析法有名義應力法、局部應力應變法和應力應變場強度法。隨著計算機技術和有限元的發展，疲勞壽命試驗分析法得到了廣泛應用。圖4 疲勞壽命的試驗法和分析法流程圖。

圖4 疲勞壽命的試驗法和分析法流程

對于遙控武器站托架這一機構，傳統試驗方法測得相關數據的難度較大，可以利用虛擬樣機技術，通過將多體動力學和有限元分析結合，獲得機構工作狀態連續應力數據，用仿真的方法代替樣機試驗，在設計初期進行壽命評估，節省時間提高效率。

2.2 基于ADAMS 托架連續應力分析

遙控武器站的疲勞應分為2 類:高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞是當載荷的循環的(重復)次數高如(1e4 ～1e9)的情況下產生的。因此，應力通常比材料的極限強度低。應力疲勞(Stress-based)用于高周疲勞。低周疲勞是在循環次數相對較低時發生的。塑性變形常常伴隨低周疲勞，其闡明了短疲勞壽命。一般認為應變疲勞(Strain-based)應該用于低周疲勞計算。在ANSYS Workbench 仿真軟件中，疲勞模塊拓展程序(Fatigue Module add-on)采用的是基于應力疲勞(Stress-based)理論，適用于高周疲勞。

根據遙控武器站連發載荷規律，可以假設其載荷屬于恒定振動載荷、比例載荷和脈沖載荷。恒定振幅載荷(圖5)，即當最大和最小的應力水平恒定時的載荷。比例載荷，是指主應力的比例是恒定的，并且主要應力的削減不隨時間變化。脈動循環載荷，是當施加載荷后又撤除該載荷，發生的脈動循環載荷現象。

圖5 恒定振幅載荷示例

通過動力學仿真分析，在柔性體文件生成時設置為包含應力或應變數據或者兩者都要包含的前提下，可以得到托架柔性體在工作載荷下的連續應力數據。在ADAMS 后處理中可以查看托架在射擊載荷下的應力曲線，如圖6 所示為單發射擊載荷托架應力曲線。

圖6 單發射擊載荷托架應力曲線

從托架應力曲線可知，其載荷屬于σm=σmax/2，R=0 的情況。其中，σm為平均應力σm= (σmax+ σmin)/2，σmin和σmax為最大和最小應力值，應力比R =σmax/σmin。載荷類型可以在Fatigue Tool 疲勞說明中的“Zero-Based”、“Fully Reversed”和給定的“Ratio”之間定義。Ratio=0 與“Zero-Based”相同，Ratio=1 相當于Fully Reversed 載荷。

2.3 基于ANASYS Workbench 疲勞壽命分析

ANSYS Workbench 的疲勞分析模塊進行疲勞分析是基于線性靜力分析，在線性靜力分析之后通過設計仿真后自動執行。軟件中的材料應力-壽命曲線大都是通過標準試驗件試驗得出的，對于外形、加工精度等不同的結構，其應力-壽命曲線要進一步修正，但是由于試驗數據缺少，難以準確描述構件的應力-壽命曲線。加之研究對象遙控武器站是在研的系統，而且武器站托架形狀比較復雜，沒有準確描述其應力-壽命曲線的基礎。所以本文以現有標準件應力-壽命曲線為基礎，利用平均應力修正模型和強度因子Kf來修正應力-壽命曲線，從而估計遙控武器站疲勞壽命。

平均應力修正模型主要有: Goodman 模型、Soderberg 模塊和Gerber 模型。表4 為應用不同理論得到的托架疲勞壽命，Goodman 模型適用于低韌性材料，不能對壓縮平均應力修正，Soderberg 模型有時可用于脆性材料。Gerber 模型能夠對韌性材料的拉伸平均應力提供很好地擬合，但不能正確地預測出壓縮平均應力的有害影響。強度因子Kf可以集中體現除平均應力以外的其他對應力-壽命曲線影響因素，具體參考經驗公式和數據確定，本文取Kf為0.9。

式中:σb為靜強度;σ-1為疲勞極限;σm為平均應力;σs為屈服強度。

表4 應用不同理論得到的托架疲勞壽命

依據機槍設計說明書，其身管壽命為3 000 發，即3 000個射擊循環。遙控武器站一般為一個槍塔設計配備兩挺機槍，一挺機槍設計配備兩根身管，所以遙控武器站槍塔要具備的壽命為12 000 射擊循環。在3 種理論中，采用Gerber 理論得到的疲勞壽命最小，為41900 個射擊循環，也是槍塔設計壽命的3.49 倍，可見托架疲勞壽命滿足設計要求。

2.4 結論

1)遙控武器站應注意2 個方面的疲勞，即高周疲勞和低周疲勞;

2)可以得到遙控武器站托架柔性體在工作載荷下的連續應力數據，前提是在柔性體文件生成時要設置為包含應力或應變數據或者兩者都要包含;

3)計算遙控武器站托架疲勞壽命時應根據不同情況對平均應力修正模型進行選取。

3 結束語

本文以虛擬樣機為基礎對遙控武器站托架剛強度與疲勞壽命分析的流程、方法與步驟進行了探索，并通過實踐對遙控武器站托架進行了校核，所得結果較為滿意。剛強度與疲勞壽命的分析方法可為其他相關構件的剛強度分析與疲勞壽命分析提供參考，具有一定工程實踐指導意義。

［1］周超.復合材料架座機槍系統動力學特性的有限元分析［D］.南京:理工大學，2004.

［2］葛建立，楊國來，陳運生.某車載炮搖架和上架的靜動態有限元設計［J］.力學與實踐，2007(6):41-44.

［3］李貴虎.基于ANSYS 的閂體剛強度有限元分析［J］.機械管理開發，2007，8(4):13-14.

［4］鄧楊，田東，于奕.基于有限元技術對機架剛度的分析［J］.裝備維修技術，2012(3):29-32.

［5］王惠源，薄玉成.某轉管高射機槍全槍有限元模態計算分析［J］.華北工學院學報，2003(3):199-202.

［6］侯貞貞.基于變速箱再制造的拆卸工藝及疲勞壽命分析［D］.合肥:合肥工業大學，2009.

［7］李彥陽.鐵磁性材料疲勞性能磁記憶檢測與分析方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2005.

［8］唐秋霞.銹坑對建筑用鋼筋HPB235 疲勞性能影響的有限元分析［D］.南寧:廣西大學，2012.