某自動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)重點實驗室，北京 102202；2.中國兵器工業(yè)第208研究所，北京 102202)

疲勞破壞是自動武器零部件主要的失效形式，據(jù)統(tǒng)計約有50%～90%的結(jié)構(gòu)破壞屬于疲勞破壞，材料的疲勞是一個十分復雜的問題[1-2]，因為影響材料疲勞壽命的因素很多，引起疲勞失效的循環(huán)載荷的峰值往往遠小于根據(jù)靜力分析估算出來的“安全載荷”，目前還無法很好地從數(shù)學上給予定量描述，因此也就無法對結(jié)構(gòu)或機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)進行更加準確的分析[5-7]。

筆者針對某自動武器壽命試驗中擊錘的疲勞斷裂問題，通過分析擊錘斷口形貌查找裂紋源，然后通過仿真調(diào)試表面敏感系數(shù)，使仿真結(jié)果與實際斷裂次數(shù)基本一致，在此基礎(chǔ)上預測出其他兩種改進方案的疲勞壽命，最終預測出擊錘的疲勞壽命。該方法可以用于指導自動武器零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，達到提高自動武器零部件壽命的目的，比現(xiàn)有僅考慮材料特性的經(jīng)驗公式預測方法更加實用。

1 斷裂件失效分析

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

以某自動武器擊錘為例，壽命試驗4 200發(fā)時擊錘斷裂，為典型的低周疲勞問題。對擊錘斷裂位置進行分析，通過宏觀斷口觀察，發(fā)現(xiàn)存在疲勞弧線，疲勞弧線法線方向為裂紋源，即裂紋源處承受較大的拉應力，如圖1所示。

2 應力應變仿真分析

應力應變仿真結(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確度?，F(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)過熱處理達到規(guī)定的硬度才能使用，此時材料的力學性能已經(jīng)發(fā)生變化。為了保證仿真輸入的準確，首先將擊錘用鋼棒材料30CrMnMoTiA加工成標準試驗件并熱處理，保證硬度與實際零件硬度一致，再進行靜態(tài)拉伸試驗獲得應力應變曲線，如圖2、3所示。

進而基于ABAQUS軟件對擊錘的應力應變進行仿真分析，擊錘斷裂位置在一個自動機運動周期承受3次拉應力，即擊錘打擊擊針、機框后坐帶動擊錘和擊錘撞擊發(fā)射機盒3種工況。經(jīng)仿真分析，機框后坐帶動擊錘時最大主應力最大，如圖4所示，遠大于其他兩種工況，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力曲線如圖5所示。

3 自動武器零部件疲勞壽命分析

按照疲勞機理將影響自動武器零部件疲勞壽命的因素從三方面進行研究。

3.1 應力

應力幅和平均應力直接影響自動武器零部件的疲勞壽命，疲勞壽命仿真建模過程通過提取強度仿真結(jié)果中的最大主應力/應變，導入疲勞分析軟件。

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

基于Manson-Coffin公式，應變-壽命曲線可寫為[8]

(1)

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

目前，分析構(gòu)件局部應力-應變的方法中，Neuber法的應用最為廣泛，表達式為

(2)

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

大量實驗表明，用Neuber法估算構(gòu)件疲勞壽命偏于保守。Topper在應用Neuber公式進行交變載荷下缺口試件的疲勞壽命分析時，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法與實驗數(shù)據(jù)吻合性較好，同時計算中參數(shù)量要求較少。故仿真中采用修正的Neuber法求解。

3.2 熱處理

熱處理也會影響疲勞壽命。本文的疲勞壽命仿真方法通過試驗獲取該材料的應變-壽命曲線，加工試驗件并熱處理到擊錘實際硬度，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(大于自動武器壽命)，應變比為-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)對其疲勞強度有著顯著的影響，用表面敏感系數(shù)β來描述。β定義為某種表面狀態(tài)下的疲勞強度與標準光滑試驗件的疲勞強度的比值。

材料的疲勞曲線是由標準光滑試件得到的，用此數(shù)據(jù)估算零部件的疲勞強度或疲勞壽命時，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)抗疲勞設計中經(jīng)常被使用，一般認為零部件在某種表面狀態(tài)下的疲勞壽命與標準光滑狀態(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 疲勞壽命仿真預測

具體疲勞仿真過程如圖8所示，仿真使用Designlife軟件，導入ABAQUS軟件仿真結(jié)果中的最大主應力/應變，添加通過試驗獲取的熱處理后30CrMnMoTiA低周疲勞循環(huán)特征參數(shù)，設置加工方式為機加,調(diào)整表面敏感系數(shù)，使仿真結(jié)果與實際斷裂次數(shù)一致。

為滿足擊錘使用壽命，分別進行了兩種方案的結(jié)構(gòu)改進措施。

改進方案1，為了提高疲勞壽命，結(jié)構(gòu)改進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，獲得最大主應力云圖如圖9所示。

改進方案2，為了減小應力集中，結(jié)構(gòu)改進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)設置，仿真預測改進方案1擊錘的疲勞壽命，得到此方案中擊錘的疲勞壽命預測結(jié)果為11 600次，但擊錘在壽命試驗11 000發(fā)時出現(xiàn)裂紋。用相同方法預測改進方案2，預測結(jié)果滿足壽命要求，在后續(xù)試驗中擊錘也沒有發(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

雖然疲勞問題與疲勞預測十分復雜，影響因素很多，但是對于自動武器的具體零部件來說，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)上重點分析具體受力工況可以較準確地預測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武器零部件疲勞壽命預測，尤其針對研制過程中的斷裂失效件，快速預測改進結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，使自動武器零部件滿足壽命指標，可為自動武器零部件設計提供技術(shù)途徑，可在自動武器領(lǐng)域推廣應用。