某自動(dòng)武器擊錘疲勞壽命仿真分析方法

苑大威，沙金龍，李 鴿

(1.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102202；2.中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所，北京 102202)

疲勞破壞是自動(dòng)武器零部件主要的失效形式，據(jù)統(tǒng)計(jì)約有50%～90%的結(jié)構(gòu)破壞屬于疲勞破壞，材料的疲勞是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題[1-2]，因?yàn)橛绊懖牧掀趬勖囊蛩睾芏啵鹌谑У难h(huán)載荷的峰值往往遠(yuǎn)小于根據(jù)靜力分析估算出來(lái)的“安全載荷”，目前還無(wú)法很好地從數(shù)學(xué)上給予定量描述，因此也就無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)或機(jī)械的疲勞壽命作出精確的分析[3-4]。樊榮、李魁武、劉勤等利用仿真軟件從載荷的角度進(jìn)行了疲勞壽命分析，但沒有考慮影響疲勞壽命的其他因素，沒有結(jié)合斷裂件的狀態(tài)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的分析[5-7]。

筆者針對(duì)某自動(dòng)武器壽命試驗(yàn)中擊錘的疲勞斷裂問(wèn)題，通過(guò)分析擊錘斷口形貌查找裂紋源，然后通過(guò)仿真調(diào)試表面敏感系數(shù)，使仿真結(jié)果與實(shí)際斷裂次數(shù)基本一致，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)出其他兩種改進(jìn)方案的疲勞壽命，最終預(yù)測(cè)出擊錘的疲勞壽命。該方法可以用于指導(dǎo)自動(dòng)武器零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到提高自動(dòng)武器零部件壽命的目的，比現(xiàn)有僅考慮材料特性的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)方法更加實(shí)用。

1 斷裂件失效分析

通過(guò)分析失效件斷口形貌，獲得失效件的斷裂類型、裂紋源、應(yīng)力類型、應(yīng)力方向、應(yīng)力大小趨勢(shì)，用以指導(dǎo)應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果。

以某自動(dòng)武器擊錘為例，壽命試驗(yàn)4 200發(fā)時(shí)擊錘斷裂，為典型的低周疲勞問(wèn)題。對(duì)擊錘斷裂位置進(jìn)行分析，通過(guò)宏觀斷口觀察，發(fā)現(xiàn)存在疲勞弧線，疲勞弧線法線方向?yàn)榱鸭y源，即裂紋源處承受較大的拉應(yīng)力，如圖1所示。

2 應(yīng)力應(yīng)變仿真分析

應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果是疲勞壽命分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，直接影響疲勞壽命的準(zhǔn)確度。現(xiàn)有的GJB 2720—1996 輕武器用結(jié)構(gòu)鋼鋼棒規(guī)范中的材料參數(shù)是鋼棒的參數(shù)，加工成具體零部件后還要經(jīng)過(guò)熱處理達(dá)到規(guī)定的硬度才能使用，此時(shí)材料的力學(xué)性能已經(jīng)發(fā)生變化。為了保證仿真輸入的準(zhǔn)確，首先將擊錘用鋼棒材料30CrMnMoTiA加工成標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件并熱處理，保證硬度與實(shí)際零件硬度一致，再進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2、3所示。

進(jìn)而基于ABAQUS軟件對(duì)擊錘的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行仿真分析，擊錘斷裂位置在一個(gè)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)周期承受3次拉應(yīng)力，即擊錘打擊擊針、機(jī)框后坐帶動(dòng)擊錘和擊錘撞擊發(fā)射機(jī)盒3種工況。經(jīng)仿真分析，機(jī)框后坐帶動(dòng)擊錘時(shí)最大主應(yīng)力最大，如圖4所示，遠(yuǎn)大于其他兩種工況，而且與斷口分析結(jié)果一致，故將該工況作為疲勞壽命仿真的主要工況，該工況擊錘最大主應(yīng)力曲線如圖5所示。

3 自動(dòng)武器零部件疲勞壽命分析

按照疲勞機(jī)理將影響自動(dòng)武器零部件疲勞壽命的因素從三方面進(jìn)行研究。

3.1 應(yīng)力

應(yīng)力幅和平均應(yīng)力直接影響自動(dòng)武器零部件的疲勞壽命，疲勞壽命仿真建模過(guò)程通過(guò)提取強(qiáng)度仿真結(jié)果中的最大主應(yīng)力/應(yīng)變，導(dǎo)入疲勞分析軟件。

由于應(yīng)力與應(yīng)變間存在一定的關(guān)系，只要知道局部應(yīng)變，就可以確定局部應(yīng)力，因此決定疲勞強(qiáng)度和壽命的是應(yīng)變集中處的最大局部應(yīng)變。用局部應(yīng)力應(yīng)變法來(lái)求解，采用應(yīng)變-壽命曲線。

基于Manson-Coffin公式，應(yīng)變-壽命曲線可寫為[8]

(1)

式(1)中參數(shù)可通過(guò)疲勞試驗(yàn)獲取，然后作為Designlife疲勞仿真軟件中的輸入?yún)?shù)。

目前，分析構(gòu)件局部應(yīng)力-應(yīng)變的方法中，Neuber法的應(yīng)用最為廣泛，表達(dá)式為

(2)

式中：Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)；ΔS、Δe分別為名義應(yīng)力和名義應(yīng)變；Δσ、Δε分別為應(yīng)力集中處的局部應(yīng)力和局部應(yīng)變。

大量實(shí)驗(yàn)表明，用Neuber法估算構(gòu)件疲勞壽命偏于保守。Topper在應(yīng)用Neuber公式進(jìn)行交變載荷下缺口試件的疲勞壽命分析時(shí)，采用疲勞缺口系數(shù)Kf代替Kt，得到修正Neuber法[9]，即：

ΔσΔε=Kf2(ΔS)2/E.

(3)

修正Neuber法與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合性較好，同時(shí)計(jì)算中參數(shù)量要求較少。故仿真中采用修正的Neuber法求解。

3.2 熱處理

熱處理也會(huì)影響疲勞壽命。本文的疲勞壽命仿真方法通過(guò)試驗(yàn)獲取該材料的應(yīng)變-壽命曲線，加工試驗(yàn)件并熱處理到擊錘實(shí)際硬度，循環(huán)次數(shù)最小值控制在1 000次以下，最大值控制在50 000次以上(大于自動(dòng)武器壽命)，應(yīng)變比為-1，加載波形為三角波，獲得30CrMnMoTiA低周疲勞循環(huán)特征參數(shù)如表2所示。疲勞試驗(yàn)如圖6所示。

表2 30CrMnMoTiA低周疲勞循環(huán)特征參數(shù)

3.3 零部件的表面狀態(tài)

零部件的表面狀態(tài)對(duì)其疲勞強(qiáng)度有著顯著的影響，用表面敏感系數(shù)β來(lái)描述。β定義為某種表面狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)光滑試驗(yàn)件的疲勞強(qiáng)度的比值。

材料的疲勞曲線是由標(biāo)準(zhǔn)光滑試件得到的，用此數(shù)據(jù)估算零部件的疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命時(shí)，需作表面敏感系數(shù)的修正。

表面狀態(tài)主要包含表面加工粗糙度β1、表層組織結(jié)構(gòu)β2和表層應(yīng)力狀態(tài)β3，疲勞表面敏感系數(shù)β是表征零部件疲勞壽命降低程度的參量：

β=β1β2β3.

(4)

疲勞表面敏感系數(shù)β在結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)中經(jīng)常被使用，一般認(rèn)為零部件在某種表面狀態(tài)下的疲勞壽命與標(biāo)準(zhǔn)光滑狀態(tài)下的疲勞壽命呈線性關(guān)系，β即為線性的斜率，該系數(shù)在Designlife仿真軟件中輸入，如圖7所示。

4 疲勞壽命仿真預(yù)測(cè)

具體疲勞仿真過(guò)程如圖8所示，仿真使用Designlife軟件，導(dǎo)入ABAQUS軟件仿真結(jié)果中的最大主應(yīng)力/應(yīng)變，添加通過(guò)試驗(yàn)獲取的熱處理后30CrMnMoTiA低周疲勞循環(huán)特征參數(shù)，設(shè)置加工方式為機(jī)加,調(diào)整表面敏感系數(shù)，使仿真結(jié)果與實(shí)際斷裂次數(shù)一致。

為滿足擊錘使用壽命，分別進(jìn)行了兩種方案的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施。

改進(jìn)方案1，為了提高疲勞壽命，結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施是將原擊錘斷裂處尺寸加厚。采用同樣的工況仿真分析，獲得最大主應(yīng)力云圖如圖9所示。

改進(jìn)方案2，為了減小應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施是改變擊錘碰撞面角度。采用同樣的工況仿真分析，獲得最大主應(yīng)力云圖如圖10所示。

采用與原方案相同的疲勞曲線、算法及表面參數(shù)設(shè)置，仿真預(yù)測(cè)改進(jìn)方案1擊錘的疲勞壽命，得到此方案中擊錘的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果為11 600次，但擊錘在壽命試驗(yàn)11 000發(fā)時(shí)出現(xiàn)裂紋。用相同方法預(yù)測(cè)改進(jìn)方案2，預(yù)測(cè)結(jié)果滿足壽命要求，在后續(xù)試驗(yàn)中擊錘也沒有發(fā)生斷裂，如表3所示。

表3 各方案擊錘疲勞壽命分析結(jié)果表

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然疲勞問(wèn)題與疲勞預(yù)測(cè)十分復(fù)雜，影響因素很多，但是對(duì)于自動(dòng)武器的具體零部件來(lái)說(shuō)，加工方式、熱處理、粗糙度、使用環(huán)境等影響疲勞的因素往往是統(tǒng)一的、不變的，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析具體受力工況可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出該零部件的疲勞壽命。

該擊錘疲勞壽命仿真分析方法可用于各類自動(dòng)武器零部件疲勞壽命預(yù)測(cè)，尤其針對(duì)研制過(guò)程中的斷裂失效件，快速預(yù)測(cè)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，使自動(dòng)武器零部件滿足壽命指標(biāo)，可為自動(dòng)武器零部件設(shè)計(jì)提供技術(shù)途徑，可在自動(dòng)武器領(lǐng)域推廣應(yīng)用。