输弹机构件可靠性试验仿真研究

金 朝，秦俊奇，狄长春，张小嘎，姚家骏

(1.军械工程学院,河北 石家庄 050003；2.73101部队 江苏 徐州 221008；3.62197部队, 湖北 广水 432722)

可靠性试验技术从诞生至今可归结为模拟试验和激发试验两大类方法。模拟试验存在周期长、效率低、耗费大以及试验结果精度低的缺点。为解决模拟试验存在的问题，可靠性强化试验技术自20世纪80年代末应运而生。自诞生以来，经过近20年的发展已经形成了相关规范和试验指南[1-2]。

本文旨在通过对某自行火炮输弹机进行虚拟样机仿真，探讨实现该输弹机输弹链链板疲劳失效可靠性强化试验的技术途径，为可靠性强化试验的技术方法提供有益参考。

1 疲劳寿命预测

目前，国内外的疲劳寿命估算方法主要采用名义应力寿命法与局部应力应变法[3]。名义应力法是最早形成的抗疲劳设计方法，以材料或零件的S-N曲线为基础，对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳损伤累积理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命，是常用的疲劳强度计算方法[4]。

应用最为普遍的疲劳寿命预测方法是Miner线性疲劳累积损伤理论。它认为零部件在各个应力循环作用下的疲劳损伤是独立进行的，总损伤是各次载荷循环造成的损伤线性地累积而成[5]。

若以目前常用的Basquin表达式来描述材料的疲劳性能，则工作应力σ与到破坏时的寿命N之间的关系为：

σmN=C

(1)

式中：m与C为与材料、应力比、加载方式等有关的参数。

某一应力级的损伤分量或耗损的疲劳寿命分量可表示为：

(2)

式中：Ni为S-N曲线上对应于应力级σi的破坏循环次数，即疲劳寿命；ni为在应力级σi作用下的实际工作循环次数。那么，总损伤量为：

(3)

根据Miner理论，当材料整个损伤完毕时，就发生疲劳破坏，此时D=1。当临界损伤改为一个介于0和1的其他常数时，成为修正的法则。修正法则的数学表达式为：

(4)

式中：c为常数。

2 基于疲劳的强化试验研究

2.1 失效机理

输弹机自动输弹到抛壳过程中的故障主要是由于机械失效引起的。输弹机发生的机械失效主要有以下几种形式：塑性变形、疲劳、磨损和腐蚀等，其中以疲劳为主要的失效形式。据统计，大约有80%～90%的零件破坏是由疲劳造成的。因此，本文针对输弹机自动输弹过程中的主要失效模式：疲劳失效，通过对该输弹机强化试验机理的研究，为机械系统可靠性强化试验技术的实现做一理论准备。

2.2 强化应力的选取

在短时间内击发机构的潜在缺陷是可靠性强化试验的主要目的之一。影响链板寿命的最直接的因素就是冲击力的大小，因此，可以通过加大链板与销轴间的碰撞力来加速其内部疲劳损伤的单次累积量。

在输弹过程中，链板与销轴之间的碰撞力主要来源于推动弹丸及药筒运动所克服的反作用力。因而可以通过增加弹丸及药筒质量的办法来间接增大链板内的应力。

在工程实践中，可专门设计一系列不同质量的强化试验弹丸和药筒，而强化试验的仿真研究中，在软件中更改弹丸及药筒的相关参数即可。

2.3 强化系数公式

强化系数是判定可靠性强化试验效果的重要依据。强化系数是系统在正常和强化工况下工作的寿命的比值，其表达式为：

(5)

式中：L为系统在正常工况下的疲劳寿命；L1为系统在强化工况下的疲劳寿命。

假设a,b分别为构件在正常和强化工况下单次动作中载荷谱所包含的应力级的个数，则根据式(1)、(2)和(3)可得单次动作的损伤量为：

(6)

(7)

式中：σ-1为疲劳极限；N0为疲劳极限对应的疲劳寿命；σie、σit分别为在强化试验工况与实际工况下作用的应力级；nie、nit分别为在强化试验工况应力级σie与实际工况应力级σit作用下的循环次数。

由式(5)、(6)和(7)可得疲劳损伤强化系数K：

(8)

在本文所研究的输弹链链板疲劳问题中，链板危险点的应力状态是单轴的，因而可以应用Goodman疲劳经验公式，对测得的载荷应力进行均值修正：

(9)

式中：σa为实际工作循环应力；σa(R=-1)为等效零均值应力；σm为应力均值；σb为强度极限。

然后，对等效后的载荷应力及其频次进行概率统计和K-S检验，获得各应力幅值的分布函数，并依据106原则对极值载荷进行估计。

最后，按照Conover法获得各应力的标准程序载荷谱。将结果代入公式(8)，就可得到强化工况相对于普通工况的强化系数。

3 强化试验仿真

3.1 模型的建立

输弹机的拓扑构型如图1所示。H1、H9为固定铰，H2齿轮箱输出轴与链轮间和联轴器连接，简化为固定铰，H3、H7、H12、H13、H14为旋转铰，H4、H5、H6、H8、H10、H11为非完整约束，模型中通过定义碰撞铰进行非完整约束的定义。对链条B4进行了详细的建模，其共有链节45个，滚子45个，1个链头。链节间采用旋转铰，链节滚子与链轮及链条箱隔板间通过碰撞铰实现力的传递和自由度的约束。

ADAMS应用带乘子的拉格朗日方法自动建立输弹机动力学方程：

(10)

式中：T为系统动能；q为系统广义坐标列阵；Φq、Θq为约束方程的雅克比矩阵；Q为广义力列阵；λ为拉格朗日乘子列阵。

3.2 VV&A验证

建立虚拟样机的目的是利用虚拟样机来模拟与推断物理样机的真实性能，没有经过VV&A验证的虚拟样机，其仿真结果是没有实际意义的。

常用的VV&A验证方法有：主观确认法、动态关联法和谱分析法等。但针对于具体的仿真对象，进行验证最为有效的办法是用仿真结果与试验数据的一致性来对仿真模型的可信度进行评价。对输弹机仿真模型的验证以输弹机出厂时进行的测试数据为依据。样本数据是从大量测试数据中随机抽取的，其中包含了随机参数的影响以及输弹机个体间差异、不同批次间的差异，具有很强的代表性。经统计处理，得到了输弹过程各动作的工作时间阈，见表1。仿真模型计算时采用设计参数的标准值，未考虑各类随机因素的影响，其计算值为确定值。从表1的对比可以看出3种摆转角条件下仿真值均落在实验值的区间内，说明仿真模型的计算结果是可信的。

表1 数据对比

3.3 强化试验研究

名义应力法是常用的疲劳设计方法，此方法适用于当外加应力在材料的弹性范围内，且材料的失效循环属于高周循环的情况。根据在工厂的调研数据可知，输弹链的工况正好满足以上两点，因而，以名义应力法为理论基础，对输弹链链板在正常工况和强化试验工况下的寿命进行预测。

要得到链板疲劳寿命，需提供3个必要条件：链板的名义应力分布、材料的S-N曲线和链板所承受动载荷谱。获得这3个条件后，就可利用疲劳寿命仿真分析软件FE_SAFE对其进行寿命预测。

3.3.1 应力分析

在有限元分析中，划分网格是建立有限元模型重要的一步，网格的质量直接关系到分析结果的准确性。采用四面体单元的网格划分，划分后的链板有限元模型如图2所示。因为只需要了解链板的应力分布情况以确定危险点的位置，载荷的大小不会影响分析的结果，所以模拟链板的实际受载情况，以场力的方式施加单位载荷。

将有限元模型提交运算进行分析便可得到链板在单位载荷作用下的应力分布云图，如图3所示。

由应力云图可知，链板的销孔内表面边缘应力集中处的应力最大，即为危险部位。因此，链板沿上下应力集中部位易发生断裂，这与实际发生的断裂位置相一致。

3.3.2 仿真载荷谱的获取

在强化试验条件和正常工作条件下分别得到了链板与销轴间的碰撞力载荷谱，如图4所示。

从图4中可以看出，链板与销轴间的载荷谱在0.5 s至0.8 s之间出现两个峰值，这是因为链头与弹丸以及推壳小车与药筒之间的接触并不连续所导致的。由于链头的运动速度较快，当链头与静止的弹丸尾部在短时间内接触时，会产生较大的冲击力，使两者再次分离，而且这一过程会重复几次，直到链头与弹丸不再分开为止。当加大弹丸以及药筒的质量后，弹丸及药筒的惯性及他们与托弹盘的摩擦力都会增大，因而链板与销轴间的碰撞力也随之增大。这与实际观察的工作过程是相符合的。

3.3.3 寿命预测

通过查阅相关资料，得到链板所用材料的相关参数。将这些材料参数和零件的应力分布以及链板的载荷谱一并导入寿命分析模块FE_SAFE中,便可得到零件在不同工况下的疲劳寿命,如表2所示。

表2 链板在不同工况下的疲劳寿命

将寿命分析结果文件导入ANSYS后处理器，还可以查看链板的寿命分布云图,如图5和图6所示。

由图5和图6看出，无论是正常工作条件下,还是在强化试验条件下，在载荷谱作用下链板寿命最短部位都出现在销孔内表面边缘倒角区域。对比两图，链板的寿命在强化试验条件下比正常工作条件下要短得多，且断裂区域要宽一些。

由此可以证明，增大弹丸的质量加快了链板的失效，其寿命降低一个数量级，因此，这一强化试验技术方案可行，达到了缩短试验时间的目的。

4 结 论

本文对机械构件疲劳失效的可靠性强化试验进行了分析研究，推导了强化系数计算公式，建立并校核了机构的虚拟样机，分析了构件失效机理，确定了可靠性强化试验的方法途径，依据仿真试验得到了冲击载荷谱以及在ANSYS中应力分析结果，在FE_SAFE中预测了构件的疲劳寿命。

仿真结果表明，增大弹丸及药筒质量可以加强构件间的作用强度，加快链板的疲劳失效，缩短可靠性试验时间，提高试验效率。该强化试验技术可行。

通过实施强化试验可以在短时间内促使部件失效来暴露部件的缺陷，也为结构或加工工艺改进后的链板可靠性验证提供了技术手段，可以指导实际可靠性强化试验，为输弹机中构件的优化设计和性能指标的选取提供依据。

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