火炮彈性膠泥緩沖器結構設計及有限元分析

中北大學機電工程學院 馬彥晉 蘇鐵熊 仝志輝

火炮彈性膠泥緩沖器結構設計及有限元分析

中北大學機電工程學院 馬彥晉 蘇鐵熊 仝志輝

傳統反后坐裝置結構復雜、質量重、制造成本較高，為了彌補這些不足，設計了一種可用于火炮的彈性膠泥緩沖器，并對其進行有限元分析。通過UG軟件建立火炮彈性膠泥緩沖器三維模型，對其做簡化處理，然后導入ANSYS中劃分網格、施加約束條件和載荷，最后進行求解，對其應力和變形進行評價。通過分析發現，將活塞桿直徑加粗可以大幅度地降低應力水平，提高安全系數。利用ANSYS軟件對設計的火炮彈性膠泥緩沖器進行了有限元分析計算，指導了結構的改進設計。

火炮反后坐裝置；彈性膠泥緩沖器；有限元分析

現代火炮普遍采用了反后坐裝置，它主要是由制退機和復進機組成。隨著現代戰爭對火炮系統性能和威力的要求不斷提高[1]，為了在不降低火炮系統性能的前提下同時提高火炮的機動性，彈性膠泥緩沖器火炮應運而生。這種結構的火炮以具有結構簡單、體積小、質量輕、價格便宜、性能穩定、耐老化性強、使用壽命長，且無毒無臭等特點，受到了火炮研究者的青睞，因而與火炮匹配的緩沖器的設計非常重要，但設計難度也比較大。有限元法是現代兵工、機械設計的重要工具．對于提高產品的質量、降低產品開發制造成本、縮短開發周期具有重要意義。

1 火炮反后坐裝置原理簡介

在火炮炮身與架體之間安裝的、用來耗散和儲存緩沖減振方向。火炮射擊時的后坐能量并使炮身復位的結構部件稱為反后坐裝置[2]。傳統反后坐裝置一般由制退機和復進機兩部分組成，火炮發射時，一方面火藥燃氣推動彈丸向前運動直至脫離炮口，另一方面膛內火藥氣體也作用于炮身，使炮身等構件向后運動，這稱為后坐運動。火炮后坐時，制退機給將一個幅值很大、變化劇烈的炮膛合力在短距離上做的功轉化為一個幅值較小、變化平穩的后坐阻力，從而起到緩沖的作用；火炮復進時，復進機給炮身等構件提供一個向前的力，最終使其回復到發射前的狀態，從而起到復進的作用。

2 火炮彈性膠泥緩沖器結構設計

火炮彈性膠泥緩沖器是一種把可壓縮體積的，具有流動性、粘彈性的膠泥放于密閉的容器中，以實現在火炮后坐時緩沖后坐能量，復進時提供復進力的機構。由于彈性膠泥的特殊性質，使其具有相當于傳統反后坐裝置中的制退機和復進機的作用。基于此,本文設計出一種可以用于火炮的彈性膠泥緩沖器，其結構如圖1

圖1 火炮的彈性膠泥緩沖器結構示意圖1活塞桿2端蓋3缸壁4活塞5注氣閥6單向閥

活塞桿1與火炮后坐部分固連，缸壁3與火炮搖架固連。通過注氣閥5向氮氣室內注入高壓氮氣，并通過單向閥6，使活塞工作腔內膠泥壓力升高到預壓力P。當火炮發射前，外力F小于預壓力P，活塞桿保持靜止不動；當火炮發射過程中，當后坐力大于預壓力P時，火炮后坐部分向后運動，帶動活塞桿1隨之運動，同時帶動活塞4向容器內運動。活塞擠壓工作腔內膠泥，一方面使得膠泥體積被壓縮，另一方面使得膠泥經過活塞上的4條阻尼槽流動，起到阻尼的作用。隨著膠泥體積的減小，產生的后坐阻力逐漸增大，直到與后坐力F相等；當后坐力減小直至消失時，膠泥體積恢復到原狀，推動活塞向容器外運動到起始位置。

3 緩沖器關鍵部件分析

由膠泥緩沖器的工作原理可知，活塞桿是最重要的受力部件，因此有必要對其進行強度分析。大量的工程實踐證明ANSYSWorkbench中的靜力學模塊可以準確地對結構進行計算分析，因此，下文將利用該軟件對活塞桿進行強度分析校核。

3.1 模型前處理

為了得到質量較好的網格，必須對活塞桿中一些倒角、螺紋等微小結構進行簡化處理[3]。簡化處理后將活塞桿模型導入ANSYSWorkbench中，并對其劃分網格，得到有限元模型如圖2。

圖2 活塞桿有限元模型

3.2 模型初步分析

通過查閱相關資料可知，現有火炮的后坐阻力一般不超過2×105N[4]，因此將2×105N作為活塞桿受到的最大外力。在ANSYSWorkbench中，將其加到活塞工作面上如圖3（a）所示。在活塞桿和后坐部分連接軸肩處施加固定約束如圖3（b）所示。

圖3 載荷和約束施加情況

對施加好載荷和約束的活塞桿有限元模型進行求解，得到活塞桿的應力和變形如圖4。

圖4 原活塞桿應力與變形情況

3.3 改進優化后分析

由圖4（a）可以看出活塞桿的最大受力為442.77MPa，這遠遠超過了結構鋼的屈服極限235MPa，因此必須對其進行改進優化。通過查閱液壓缸設計手冊[5]，將活塞桿直徑由30mm分別變為40、50mm，并再對其進行強度分析。得到結果如圖5、6所示。

圖5 優化后活塞桿(40mm)應力與變形情況

圖6 優化后活塞桿（50mm）應力與變形情況

4 結果分析

表1 活塞桿不同直徑時對應的受力情況

由上表可以看出，當活塞桿直徑由30mm變為40mm后，其最大應力由283.24MPa降為159.28MPa,減小了約 44%，最大變形由 0.68324mm降為0.38943mm，減小約43%，。當活塞桿直徑由30mm變為50mm后，最大應力由283.24MPa降為101.91MPa,減小了約 64%，最大變形由 0.68324mm降為0.252mm，減小約63%，質量由23.53kg變為28.63kg，增加了約22%。

5 總結

本文設計出了一種可連接在火炮上的彈性膠泥緩沖器，通過對其關鍵受力零部件進行強度分析，找出了彈性膠泥緩沖器的薄弱部位，并進行了優化設計，使其滿足安全要求。為火炮彈性膠泥緩沖器地設計和改造提供了理論依據。

[1]談樂斌，張相炎，管紅根等.火炮概論[M].北京：北京理工大學出版社，2005：15～18．

[2]高躍飛.火炮反后坐裝置設計[M].北京：國防工業出版社，2010：25．

[3]許京荊.ANSYSWorkbench13.0數值模擬技術[M]．北京：中國水利水電出版社，2012：98．

[4]張相炎.火炮設計理論[M].北京：北京理工大學出版社，2005：98．

[5]李兵，黃方平.液壓與氣壓傳動[M]．武漢：華中科技大學出版社，2012：48．

馬彥晉，男，1987年9月出生，山西省大寧縣人，碩士，研究方向：