某隨動系統執行電機沖擊載荷強度分析與驗證

楊 軍，郭 晶，寧變芳，趙 昕，劉攀玲，劉 妙

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

隨動系統是按照火控系統的指令瞄向目標未來點的伺服系統，其性能優劣直接影響火炮武器系統的精度、快速反應能力，從而影響火炮武器系統的作戰效能。火炮隨動系統電機的工作環境比較惡劣，這不但影響電機的工作壽命，而且影響隨動系統的精度性能。因此，執行電機的沖擊載荷強度分析計算和驗證，對保障電機電氣性能的正常運行，提高火炮作戰能力具有十分重要的意義[1]。

筆者以某隨動系統執行電機的殼體為對象，采用船用設備等效靜力法的理論將動載荷等價為靜載荷，用靜態的方法對執行電機殼體進行校核;根據執行電機的結構特點建立包含螺栓預緊力、各連接部件間復雜接觸、螺栓與部件間接觸等的有限元模型，模擬40g加速度激勵，研究沖擊載荷對執行電機結構的影響；通過對執行電機結構強度計算分析，獲得各個部件在加速度激勵下的應力分布。

1 執行電機有限元分析模型

1.1 執行電機幾何模型建立

建立執行電機幾何模型，如圖1所示。因執行電機在炮塔內安裝，火炮射擊時瞬時沖擊載荷直接傳遞給執行電機殼體，電機總設計質量900 kg，考慮到電機設計和仿真需求對模型進行簡化，簡化掉轉子及軸結構，將其質量以質點施加到軸承安裝位置。底座減薄位置處于受力惡劣部位，計算時增加模擬基座，可更真實地模擬底座連接螺栓部分的應力[2]。

1.2 執行電機有限元模型建立

利用ANSYS有限元分析軟件建立執行電機結構較為簡便，省去了采用大型CAD軟件建模再導入ANSYS后簡化結構的繁瑣過程，并且避免了模型元素的丟失問題。模型約束主要依據執行電機安裝到水平滑臺上的安裝方式，通過約束執行電機法蘭面螺栓孔3個方向位移，及約束試驗工裝位置殼體底面垂直方向位移以及沿沖擊方向支撐面法向位移，如圖2所示，執行電機殼體各部分之間、螺栓與殼體之間通過定義接觸及進行載荷傳遞。

執行電機的主體材料為45#鋼，配件材料為1Cr13Mo，具體參數如表1所示[3]。

表1 材料參數

螺栓預緊力依據所選材料由式(1)得出。螺栓材料為1Cr13Mo，估算M20螺栓預緊力95 kN，M16螺栓預緊力60 kN，M24螺栓預緊力為133 kN，M30螺栓預緊力200 kN.

F0=(0.5～0.6)σsAs,

(1)

式中：σs為螺栓材料的屈服極限；As為螺栓公稱應力截面積。

1.3 建立執行電機模型的關鍵技術

對執行的電機沖擊載荷進行有限元計算分析時，需考慮電機殼體側向、軸向、垂向沖擊，為便于快速建立各種工況下的有限元模型，提高計算效率和減少重復建模的工作量，采取如下措施[4-6]：

1)對執行電機有限元模型進行參數化建模，達到快速計算和分析不同方向沖擊的設計方案，提高設計效率及質量，降低設計成本等。

2)由于執行電機殼體在承受加速度作用之前，已經存在螺栓預緊力及自重引起的預應力，先進行施加螺栓預緊力與重力加速度進行計算，計算結構存在的預應力。等效靜力沖擊分析方法考慮設備剛性安裝時，將底座位移全約束。

3)在計算預應力基礎上，按試驗條件半正弦波，其峰值加速度為 40g，持續時間為 20 ms，其為我國海軍標準中炮上設備試驗驗證要求，計算加速度載荷作用下結構響應。

2 執行電機沖擊載荷仿真分析

根據實際建立的模型對執行電機殼體側向、軸向、垂向3個方向的沖擊載荷強度進行仿真。

側向沖擊時，電機殼體受橫向剪切力作用，電機殼體高應力主要集中在底座上下連接部分的螺栓孔邊沿處，所受最大應力逐漸向電機軸伸方向遞減。尤其是長貫穿螺栓孔邊沿處，最大等效應力接近0.41 GPa，該部位較小區域應力已經超過材料屈服極限，屈服極限為0.355 GPa，但小于材料強度極限，主要由螺栓預緊力引起；底座最大應力出現在與安裝基座連接螺栓孔位置，最大應力出現在M30螺栓孔邊沿位置，最大達到0.39 GPa，該位置局部較小區域應力已經超過材料屈服極限。執行電機殼體側向沖擊計算應力結果，如圖3所示。

軸向沖擊時，電機殼體受軸向力作用，電機殼體高應力主要集中在底座在與安裝基座底部連接螺栓孔位置，所受最大應力逐漸向電機軸伸方向遞減，電機軸及其內部結構受影響較大，本次只考慮次執行電機殼體受沖擊載荷的影響。最大應力出現在M30螺栓孔邊沿位置，最大達到0.35 GPa，該位置局部較小區域應力已經超過材料屈服極限。方向電機殼體軸向沖擊計算應力結果，如圖4所示。

垂向沖擊，同側向沖擊方向類似受到橫向剪切力，最大等效應力結果接近，均出現在電機殼體的底座上下螺栓連接處，高應力區主要集中在螺栓孔邊沿處。方向電機殼體垂向沖擊計算應力結果，如圖5所示。

應用等效靜態法進行沖擊分析時能夠突出考核重點，可分析在一恒定靜載荷下的危險部位和響應趨勢。將上述有限元計算結果進行匯總，如表2所示。

表2 應力最大值計算結果匯總 GPa

3個軸向的沖擊載荷加載過程中，最大等效應力均出現在電機殼體的底座上下螺栓連接處，高應力區主要集中在螺栓孔邊沿處，所受最大應力逐漸向電機軸伸方向遞減，執行電機最大等效應力均出現在底座上下兩端螺栓及螺栓安裝孔處。通過以上分析結果可知對電機殼體底座進行優化設計很有必要。首先通過增加螺栓孔處壁厚和對孔邊緣進行倒圓角處理；其次通過對底座連接電機殼體部分和底部固定安裝方式優化設計，設計底座上下止口連接方式，使沖擊載荷一部分通過止口連接傳遞到底座本體，從而降低貫穿螺栓孔處和底座安裝螺栓孔處的高應力；同時通過力矩扳手預緊，保證電機底座螺栓裝配時預緊力的一致，使螺栓受力均勻，減小最大應力因螺栓孔局部區域的影響引起的殼體局部塑性變形；最后可對底座進行調質處理，進一步提高其機械性能。

3 測試實驗

對執行電機用夾具固定在水平滑臺上，如圖6所示。執行電機質量為900 kg，按試驗條件加載半正弦波，峰值加速度為40g，三軸向沖擊。

試驗加載曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，側向加速度峰值37.49g，持續時間22.01 ms；軸向加速度峰值39.21g，持續時間18.55 ms；垂向加速度峰值38.65g，持續時間19.64 ms .對沖擊試驗數據分析，在試驗大綱允許容差范圍內， 3個軸向加速度峰值均略小于理論值40g要求，應用等效靜態法對試驗的加速度峰值應力靜載荷計算，其最大值也略小于理論值。

試驗加載符合大綱要求，沖擊試驗后目測試驗件結構無裂紋、狀態完好。執行電機殼體等效應力高應力區(即執行電機殼體底座)沖擊試驗后，上下兩端連接處和螺栓孔最大應力集中處出現漆皮開裂現象，經探傷檢驗電機殼體結構完好，高應力區無裂紋。執行電機通電后可正常工作，電氣檢查后工作性能符合檢測指標。

4 結束語

以某隨動系統執行電機沖擊載荷強度有限元分析為背景，通過有限元仿真分析結果對執行電機結構進行優化改進。通過沖擊試驗驗證，執行電機結構和電氣工作性能符合檢測指標，滿足某隨動系統設計要求，為執行電機電氣和結構性能進一步優化設計提供了仿真分析和試驗支撐。