某自動(dòng)機(jī)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

在某火炮后坐運(yùn)動(dòng)過程中，推彈滑座向后運(yùn)動(dòng)撞擊解脫器，迫使解脫器向下運(yùn)動(dòng)，解脫器又把運(yùn)動(dòng)傳遞給相關(guān)零件，從而帶動(dòng)阻鐵順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。阻鐵轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，推彈滑座順利的完成后坐運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過程中復(fù)進(jìn)簧儲(chǔ)存能量。在復(fù)進(jìn)時(shí)，阻鐵在復(fù)位簧的作用下已經(jīng)復(fù)位，復(fù)進(jìn)簧釋放的能量推動(dòng)推彈滑座向前運(yùn)動(dòng)，這時(shí)推彈滑座與阻鐵就發(fā)生碰撞。在阻鐵運(yùn)動(dòng)過程中如果阻鐵出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，將會(huì)導(dǎo)致如下的故障:1）扣機(jī)整體無法正常工作，導(dǎo)致火炮不能停射;2）復(fù)進(jìn)時(shí)間過長，導(dǎo)致射速降低，不能達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

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

1 阻鐵的斷裂表現(xiàn)

通過對(duì)多次試驗(yàn)結(jié)果的觀察，發(fā)現(xiàn)阻鐵斷裂形式表現(xiàn)如圖1所示:

對(duì)阻鐵所在的扣機(jī)組件進(jìn)行拆卸，發(fā)現(xiàn)阻鐵斷裂的裂紋發(fā)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(gè):1）復(fù)進(jìn)簧傳遞給推彈滑座的力過大;2）推彈滑座與阻鐵發(fā)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(guān)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(jī)體中，并且在運(yùn)動(dòng)過程中可繞阻鐵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，推彈滑座的運(yùn)動(dòng)是在火炮射擊過程中隨火炮復(fù)進(jìn)和后坐而做前后運(yùn)動(dòng)。在火炮后坐時(shí)，阻鐵會(huì)繞阻鐵軸發(fā)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而為推彈滑座的運(yùn)動(dòng)讓出位置。而在火炮的復(fù)進(jìn)時(shí)，推彈滑座在復(fù)進(jìn)簧的作用下向前運(yùn)動(dòng)從而與已經(jīng)復(fù)位的阻鐵發(fā)生接觸碰撞。

圖2 阻鐵與推彈滑座裝配關(guān)系圖

3 阻鐵的有限元模型

3.1 建立模型劃分網(wǎng)格

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

圖3 阻鐵與推彈滑座有限元模型

查閱相關(guān)資料［2］，阻鐵的材料性能接近于結(jié)構(gòu)鋼30Cr，其彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.29，屈服極限σs=685MPa，強(qiáng)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(gè)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(gè)約束夾在阻鐵的下凸臺(tái)上，用以限制阻鐵y方向上的運(yùn)動(dòng)，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(gè)側(cè)面上，限制其x方向及z方向的運(yùn)動(dòng)。

3.3 接觸分析

兩獨(dú)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(huì)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(jì)算資源，接觸面能夠有效地模擬相碰撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并允許結(jié)構(gòu)之間連續(xù)不斷地接觸和滑動(dòng)。

接觸問題存在兩個(gè)較大的難點(diǎn):1）在求解問題之前，不知道接觸區(qū)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(jì)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(yīng)下降、線性搜索、自動(dòng)載荷步等一系列方法來增強(qiáng)問題的收斂性［3］。

本文模型采用自動(dòng)單面接觸（ASSC）和自動(dòng)面-面接觸（ASTS），靜動(dòng)摩擦系數(shù)均采用0.1。

4 有限元分析結(jié)果

采用ANSYS軟件對(duì)阻鐵與推彈滑座進(jìn)行有限元分析，由于阻鐵斷裂的原因尚不明確，因此分別對(duì)它們進(jìn)行靜力學(xué)分析及顯式動(dòng)力學(xué)分析。

4.1 靜力學(xué)分析

在火炮復(fù)進(jìn)時(shí)，復(fù)進(jìn)簧復(fù)位并推動(dòng)推彈滑座向前運(yùn)動(dòng)并與阻鐵發(fā)生碰撞，復(fù)進(jìn)簧繼續(xù)釋放能量，推彈滑座擠壓阻鐵。在靜力學(xué)分析模型中，假設(shè)阻鐵與推彈滑座之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，復(fù)進(jìn)簧以3000N的作用力推動(dòng)推彈滑座擠壓阻鐵。

推彈滑座和阻鐵的靜力學(xué)模型被劃分為200552個(gè)節(jié)點(diǎn)，組成57104個(gè)單元。阻鐵的應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示。

靜力學(xué)分析結(jié)果顯示:等效彈性應(yīng)變?yōu)?.3994e-4;最大應(yīng)力為87.988MPa。靜力學(xué)分析結(jié)果的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于阻鐵材料的屈服應(yīng)力σs=685MPa，所以在靜力學(xué)分析中，復(fù)進(jìn)簧彈性力作用不會(huì)引起阻鐵出現(xiàn)屈服或大變形現(xiàn)象，不會(huì)造成阻鐵的斷裂。

圖5 等效彈性應(yīng)變?cè)茍D

圖6 等效應(yīng)力云圖

4.2 顯式動(dòng)力學(xué)分析

在火炮的復(fù)進(jìn)過程中，由于復(fù)進(jìn)簧釋放能量，推動(dòng)彈滑座向前運(yùn)動(dòng)，以6.675m/s的速度與阻鐵產(chǎn)生碰撞。在ANSYS的顯式動(dòng)力學(xué)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(jìn)行矩陣分解或求逆，無總體剛度矩陣，無須求解聯(lián)立方程組，計(jì)算速度快;不存在收斂性問題，依靠小時(shí)步保證計(jì)算精度，保證時(shí)間積分的精度［4］。本文模型的碰撞過程仿真采用增強(qiáng)拉格朗日法［5］:

式中:M為質(zhì)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(nèi)力矢量。

推彈滑座和阻鐵的動(dòng)力學(xué)模型被劃分為49552個(gè)節(jié)點(diǎn)，組成63769個(gè)單元。其應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力云圖如圖7和圖8所示。

動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果顯示:等效彈性應(yīng)變?yōu)?.20952;最大應(yīng)力為612.94MPa。動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果的最大應(yīng)力接近阻鐵材料的的屈服應(yīng)力σs=685MPa，這說明碰撞力的作用會(huì)導(dǎo)致阻鐵的前端首先產(chǎn)生屈服現(xiàn)象，隨著碰撞次數(shù)的增加，開始在阻鐵的頭部出現(xiàn)裂紋，直至最后斷裂。

圖7 等效彈性應(yīng)變?cè)茍D

圖8 等效應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

通過有限元分析軟件對(duì)阻鐵斷裂問題進(jìn)行分析和研究，綜合上述分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在推彈滑座與阻鐵接觸碰撞時(shí)，碰撞力是導(dǎo)致阻鐵隨著射擊次數(shù)增加最后斷裂的主要因素，復(fù)進(jìn)簧的彈性力作用影響較小。有限元的分析結(jié)果與阻鐵試驗(yàn)的實(shí)際情況基本符合。

通過這樣的分析，對(duì)于充分掌握在火炮發(fā)射時(shí)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(fā)生具有十分重要的參考意義。

［1］梁世瑞.現(xiàn)代火炮自動(dòng)機(jī)技術(shù)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1995.

［2］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)1.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)編著.-3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004（8）:3-41.

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

［4］張樂樂，譚南林，焦風(fēng)川.ANSYS輔助分析應(yīng)用基礎(chǔ)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社;北京交通大學(xué)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(xué)院學(xué)報(bào)，2007（12）:第15卷第4期.