某自动机阻铁断裂分析

刘红林，戴劲松，王茂森，税华，施建国

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

在某火炮后坐运动过程中，推弹滑座向后运动撞击解脱器，迫使解脱器向下运动，解脱器又把运动传递给相关零件，从而带动阻铁顺时针转动。阻铁转动到位后，推弹滑座顺利的完成后坐运动，在这个过程中复进簧储存能量。在复进时，阻铁在复位簧的作用下已经复位，复进簧释放的能量推动推弹滑座向前运动，这时推弹滑座与阻铁就发生碰撞。在阻铁运动过程中如果阻铁出现断裂现象，将会导致如下的故障:1）扣机整体无法正常工作，导致火炮不能停射;2）复进时间过长，导致射速降低，不能达到规定的技术指标。

本文采用ANSYS分析软件，利用非线性有限元方法，重点针对阻铁与推弹滑座的碰撞过程进行仿真分析。

1 阻铁的断裂表现

通过对多次试验结果的观察，发现阻铁断裂形式表现如图1所示:

对阻铁所在的扣机组件进行拆卸，发现阻铁断裂的裂纹发生在阻铁头部的滑座拨叉轴孔附近。其断裂如图1所示。初步分析断裂的原因可能有两个:1）复进簧传递给推弹滑座的力过大;2）推弹滑座与阻铁发生多次碰撞，疲劳引起阻铁断裂。

图1 阻铁断裂图

2 阻铁与推弹滑座的装配位置关系［1］

从装配图2中可以看出，阻铁是通过阻铁轴固定在扣机体中，并且在运动过程中可绕阻铁轴转动，推弹滑座的运动是在火炮射击过程中随火炮复进和后坐而做前后运动。在火炮后坐时，阻铁会绕阻铁轴发生顺时针转动，从而为推弹滑座的运动让出位置。而在火炮的复进时，推弹滑座在复进簧的作用下向前运动从而与已经复位的阻铁发生接触碰撞。

图2 阻铁与推弹滑座装配关系图

3 阻铁的有限元模型

3.1 建立模型划分网格

为了分析方便，在符合实际要求的前提下，首先对模型进行简化处理，将阻铁与推弹滑座接触过程中不相关的其他零部件全部忽略处理，将约束阻铁运动的阻铁轴和滑座拨叉轴简化为约束条件。再运用专业的三维建模软件完成对阻铁和推弹滑座模型的建立，模型建立好后，将模型导入ANSYS进行网格划分。网格划分是有限元分析过程中至关重要的环节，网格的品质和平滑度直接影响到结果的精确度，因此，对阻铁和推弹滑座进行网格划分时采用多种网格相结合。在划分网格时，对于阻铁主要采用四面体网格划分，网格单元边界尺寸为0.002mm;而对推弹滑座主要采用六面体、棱锥和棱柱相结合的网格划分方法，网格单元的边界尺寸为0.003mm。其划分的网格如图3所示:

图3 阻铁与推弹滑座有限元模型

查阅相关资料［2］，阻铁的材料性能接近于结构钢30Cr，其弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.29，屈服极限σs=685MPa，强度极限σb=885MPa。

3.2 阻铁与推弹滑座的约束条件

阻铁的第一个约束条件加在阻铁轴孔以及滑座拨叉轴孔上，用以限制x方向及y方向上的位移;第二个约束夹在阻铁的下凸台上，用以限制阻铁y方向上的运动，其约束图如下图4所示。

图4 阻铁约束图

推弹滑座的约束施加在两个侧面上，限制其x方向及z方向的运动。

3.3 接触分析

两独立表面相互接触并相切，则称之为接触。一般物理意义上，接触的表面包含:不会渗透;可传递法向压缩力和切向摩擦力;通常不传递法向拉伸力的特性。接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，接触面能够有效地模拟相碰撞结构之间的相互作用，并允许结构之间连续不断地接触和滑动。

接触问题存在两个较大的难点:1）在求解问题之前，不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的、突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其他因素而定;2）大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。ANSYS通过牛顿—拉普森（NR）平衡叠代很好地克服了这种困难，并提供了如自适应下降、线性搜索、自动载荷步等一系列方法来增强问题的收敛性［3］。

本文模型采用自动单面接触（ASSC）和自动面-面接触（ASTS），静动摩擦系数均采用0.1。

4 有限元分析结果

采用ANSYS软件对阻铁与推弹滑座进行有限元分析，由于阻铁断裂的原因尚不明确，因此分别对它们进行静力学分析及显式动力学分析。

4.1 静力学分析

在火炮复进时，复进簧复位并推动推弹滑座向前运动并与阻铁发生碰撞，复进簧继续释放能量，推弹滑座挤压阻铁。在静力学分析模型中，假设阻铁与推弹滑座之间无相对运动，复进簧以3000N的作用力推动推弹滑座挤压阻铁。

推弹滑座和阻铁的静力学模型被划分为200552个节点，组成57104个单元。阻铁的应变云图和应力云图如图5和图6所示。

静力学分析结果显示:等效弹性应变为4.3994e-4;最大应力为87.988MPa。静力学分析结果的最大应力远小于阻铁材料的屈服应力σs=685MPa，所以在静力学分析中，复进簧弹性力作用不会引起阻铁出现屈服或大变形现象，不会造成阻铁的断裂。

图5 等效弹性应变云图

图6 等效应力云图

4.2 显式动力学分析

在火炮的复进过程中，由于复进簧释放能量，推动弹滑座向前运动，以6.675m/s的速度与阻铁产生碰撞。在ANSYS的显式动力学分析中，广泛采用显式中心差分法来求解。显式算法不需要进行矩阵分解或求逆，无总体刚度矩阵，无须求解联立方程组，计算速度快;不存在收敛性问题，依靠小时步保证计算精度，保证时间积分的精度［4］。本文模型的碰撞过程仿真采用增强拉格朗日法［5］:

式中:M为质量矩阵，A为加速度向量;Fe为外力矢量;Fc为接触力矢量;F为内力矢量。

推弹滑座和阻铁的动力学模型被划分为49552个节点，组成63769个单元。其应变云图和应力云图如图7和图8所示。

动力学分析结果显示:等效弹性应变为0.20952;最大应力为612.94MPa。动力学分析结果的最大应力接近阻铁材料的的屈服应力σs=685MPa，这说明碰撞力的作用会导致阻铁的前端首先产生屈服现象，随着碰撞次数的增加，开始在阻铁的头部出现裂纹，直至最后断裂。

图7 等效弹性应变云图

图8 等效应力云图

5 结论

通过有限元分析软件对阻铁断裂问题进行分析和研究，综合上述分析结果发现，在推弹滑座与阻铁接触碰撞时，碰撞力是导致阻铁随着射击次数增加最后断裂的主要因素，复进簧的弹性力作用影响较小。有限元的分析结果与阻铁试验的实际情况基本符合。

通过这样的分析，对于充分掌握在火炮发射时阻铁的受力情况，有效避免由于阻铁断裂引起的火炮故障的发生具有十分重要的参考意义。

［1］梁世瑞.现代火炮自动机技术［M］.北京:兵器工业出版社，1995.

［2］机械设计手册1.机械设计手册编委会编著.-3版.北京:机械工业出版社，2004（8）:3-41.

［3］刘涛，杨凤鹏.精通 ANSYS［M］.北京:清华大学出版社，2002:218-302.

［4］张乐乐，谭南林，焦风川.ANSYS辅助分析应用基础教程［M］.北京:清华大学出版社;北京交通大学出版社，2006.3:130.

［5］荆友录，赵长利，张星忠.基于ANSYS/LS—DYNA的货车纵梁撞击性能仿真研究［J］.山东交通学院学报，2007（12）:第15卷第4期.