冲击载荷作用下抽筒子疲劳寿命预测与试验验证

胡慧斌，候晓锋，曹立军，马吉胜

（1.军械工程学院，河北 石家庄 050003；2.石家庄陆军指挥学院，河北 石家庄 050084；3.西安军代局，陕西 西安 710054）

抽筒子是火炮射击过程中完成抽筒动作的主要部件［1］。在火炮服役过程中，抽筒子经常发生塑性变形，甚至断裂，导致无法正常抽出药筒，严重影响了火炮战斗力的充分发挥。

疲劳断裂失效往往是在机械系统运行过程中突然发生的，很难被及时发现，难以实现有效的预防性维修［2］。在抽筒过程中，抽筒子封装在炮尾内部，操作人员难以直接观察和测量工作载荷，而且抽筒子必须在短时间内快速地抽出药筒，碰撞剧烈。传统的测试和计算方法难以直接用于抽筒子失效分析，借鉴经验进行人工判断误差较大。因此，如何运用科学的仿真手段分析和预测抽筒子的疲劳使用寿命，为及时实现预防性维修提供决策依据，是火炮具有良好战备完好性的重要保证。

1 抽筒过程分析

抽筒子模型如图1所示，其下方有内、外耳轴。外耳轴位于炮尾闩室内的抽筒子耳轴室内，用于支撑抽筒子，同时外耳轴外端被抽筒子压栓前方的缺口卡住。人工关闩时，由抽筒子压栓带动抽筒子转动，解脱对闩体的限制，闩体上升，闭合炮膛。内耳轴置于闩体定形槽内，开关闩过程中，沿着闩体导向槽滑动，并与闩体导向槽的台阶面配合，将闩体固定在开闩位置。抽筒子上端是抽筒子爪，装填后抵在药筒的底缘上。

火炮发射时，火药在炮膛内燃烧并产生高温高压（最大压力达400 MPa）的火药气体。药筒在火药气体的作用下产生径向膨胀，紧贴药室内壁，密闭炮膛。复进时，火炮后坐部分以大约3m／s的速度撞击开闩板，闩体向下运动，待闩体下降即将到位时，抽筒子滑槽的圆弧段迫使抽筒子内耳轴迅速向前，抽筒子前弧面抵在闩室前壁形成一个活动支点，从而使抽筒子爪迅速向后转动，抽出药筒。由于抽筒的过程非常短（6－10ms），属于冲击载荷作用下的瞬时碰撞过程，撞击力大，碰撞剧烈，抽筒子在冲击载荷的反复作用下极易发生疲劳断裂，从而导致抽筒功能的丧失。从部队统计和调研情况来看，抽筒子的主要失效模式是抽筒子断裂，且抽筒子爪的断口具有典型的疲劳断口特征。笔者以抽筒子爪折断这一典型的冲击疲劳破坏为研究对象，研究冲击载荷作用下基于协同仿真的疲劳寿命预测技术。

2 载荷谱的获取

进行疲劳寿命预测与疲劳可靠性分析的首要问题是如何确定施加于零部件上的载荷谱。为了能够准确地分析和预测抽筒子的疲劳寿命，必须采集该部件在工作过程中的载荷－时间历程。由于抽筒过程时间短，冲击力大，抽筒子封装在炮尾内部，难以采用传统的测量手段获取抽筒子的载荷谱。虚拟样机为再现火炮射击过程中的抽筒动作和进行动力学分析提供了有效的途径。

2.1 虚拟样机的建立

为了能够真实地再现抽筒过程、准确地测量抽筒子工作时的载荷谱，在Pro／E 和ADAMS 环境下，基于多体系统动力学，建立火炮炮闩系统虚拟样机，虚拟样机如图2所示。对其射击过程进行仿真［3－4］。虚拟样机建立流程如图3所示。

根据设计图纸，利用三维实体建模软件Pro／E建立火力系统的实体模型，添加零部件的固有信息，如密度、尺寸、材料和热处理等，并在Pro／E 中进行初步装配，通过Pro／E与ADAMS之间的无缝接口软件Mechanism／Pro，将Pro／E模型导入ADAMS，添加约束和力，进行运动学和动力学仿真，根据仿真结果，验证虚拟样机的准确性，不断进行修正和完善，直至误差在允许的范围内。

2.2 虚拟样机的校核

为了验证虚拟样机的准确性，可以在保证试验条件与虚拟样机仿真条件一致的情况下，从定性和定量两个方面验证虚拟样机仿真结果与试验数据的一致性。定性校核主要包括：

1）观察虚拟样机各机构的动作顺序和方式是否与实装一致。

2）观察对称零部件的受力与运动是否一致。

3）运动学和动力学仿真结果是否与工程实际相符合。

定量校核需要设定与实装试验相同的仿真条件，如：当射角为0°，装药为全装药时，基于虚拟样机得到的火炮后坐部分位移和速度曲线如图4所示。

选取图4曲线中关键参数的特征值（后坐部分的最大位移xmax和曲柄与开闩板碰撞时后坐部分的复进开闩速度vh）进行比较，如表1所示。

表1 仿真数据与理论数据对比

后坐部分最大位移和复进开闩速度仿真值与理论值之间的相对误差均在5%范围内，可以反映实装的静态和动态特性，完全能够满足工程应用的需要。

2.3 载荷谱的获取

在图2所示的虚拟样机中，对抽筒过程进行仿真，得到火炮射击过程中抽筒子的载荷谱，如图5所示。第1个凸起是火炮射击时，在火药气体的作用下药筒膨胀，部分密闭炮膛的力作用在抽筒子上；第2个凸起是开闩过程中，抽筒子向后转动，快速地抽出药筒时所受的力。

3 抽筒子疲劳寿命预测流程

采用传统的疲劳寿命估算方法（如名义应力法、局部应力应变法等），对冲击载荷作用下抽筒子的疲劳寿命进行计算不但难度大，而且任务量也很大［5］。为此，基于三维实体建模软件Pro／E、动力学分析与仿真软件ADAMS、有限元分析软件ABAQUS和疲劳分析软件Designlife建立了基于协同仿真的疲劳寿命预测流程，如图6所示。

1）建立虚拟样机，进行动力学仿真，生成载荷谱和对应的DAC数据文件。

2）对零部件进行有限元分析，得到有限元静应力分析结果。

3）将载荷谱和有限元静应力分析结果输入疲劳分析软件，进行疲劳寿命计算。

可以看出，要计算抽筒子危险部位的疲劳寿命必须基于3 个基本条件：危险部位的应力谱、材料的S－N曲线和危险部位所承受的动载荷谱。

4 有限元分析

抽筒子有限元分析如图7所示。

将依据图纸建立的抽筒子Pro／E 模型导入ABAQUS，进行网格划分。由于抽筒子爪是抽筒子工作过程中受力和失效的主要部位，所以抽筒子爪采用高精度的三维十节点四面体等参有限元模型［6］，如图7（a）所示。

根据抽筒子在抽筒过程中的运动规律和抽筒子爪断裂的故障特点，将抽筒子边界条件简化为固定抽筒子，抽筒力施加在抽筒子爪上，考察抽筒子的强度与寿命，如图7（b）所示。

在抽筒子受力位置施加单位载荷，使用ABAQUS／Standard进行静强度计算。图7（c）是施加单位力后，进行有限元静强度计算所得的受力云图。从图7（c）中可以看出，抽筒子爪前弧面根部所受的应力最大。

5 疲劳寿命预测

5.1 材料的S－N 曲线

抽筒子材料45CrNiMoVA 在指定存活率下的疲劳寿命如表2所示［7］。

表2 45CrNiMoVA在指定存活率（%）下的疲劳寿命（×103）

在表2中，ap和bp为可靠度N下的材料疲劳参数，Np表示疲劳应力σ作用下可靠度为p时的疲劳寿命。

图8是对45CrNiMoVA 在疲劳极限以下的载荷，应用Miner准则修正后的MM 法则（Modified Miner Rule，简称MM 法则），所得到的在双对数坐标下的lgσ－lgNp曲线。其中线段“1”的斜率为b1，表示在某可靠度下的有限寿命部分，线段“2”是应用MM 法则在其它应力范围内对S－N曲线的修正结果。

根据文献［7］和公式lgNp＝ap＋bplgσ可以计算出，当存活率为90%时，lgσ－lgNp曲线在纵坐标轴上的截距为

所以可得：σ＝2 829.4MPa

即应力范围为

从而可以计算出线段“1”的斜率为

线段“1”和线段“2”交点处对应的疲劳寿命为

对应的应力对数值为

线段“2”的起点坐标为（6，2.694 7），终点坐标为（7，2.666 5）。因此，线段“2”的斜率为

由此可得45CrNiMoVA 的S－N曲线，如图9所示。

5.2 疲劳寿命预测

基于ADAMS建立的虚拟样机进行动力学分析与仿真，仿真结果以DAC 数据文件形式导入Designlife中；基于ABAQUS对抽筒子进行有限元分析，分析结果以ODB 数据文件传输到Designlife中，建立抽筒子疲劳寿命预测模型，应用Miner线性累积损伤准则进行损伤累积，预测其疲劳寿命。抽筒子疲劳损伤和寿命云图如图10所示。可以计算出，抽筒子最小寿命为39 490次，危险部位出现在抽筒子爪的前弧面根部，失效形式为疲劳断裂。

6 试验验证

为了验证所建立的疲劳寿命预测模型的准确性，针对抽筒子爪断裂这一故障，设计了抽筒子疲劳寿命试验。试验原理如图11所示。

试验设备主要包括JM 压电石英力传感器、电压放大器、动态信号测试分析系统（包括信号调理器、直流电压放大器、低通滤波器、抗混滤波器和16位A／D 转换器等）、试验台架、钢块（抽筒子材料为钢）、铜块（药筒材料为铜）和连接电缆等。试验装置如图12所示。设置铜块以不同的自由下落高度，测量铜块撞击钢块的载荷谱，将测得的撞击载荷谱与图4所示的抽筒子载荷谱进行比较，可得铜块撞击高度为15.5cm 时，两种载荷谱的波形、特征值非常相近，由此确定抽筒子疲劳寿命试验的撞击高度为15.5cm。利用撞击试验台进行疲劳寿命试验，经过42 400次撞击后，抽筒子爪断裂，与仿真结果39 490次接近，误差为6.8%，说明本文建立的抽筒子疲劳寿命预测模型可以用于冲击载荷作用下不规则零部件的疲劳寿命预测。

7 结论

抽筒子是火炮射击后抽出药筒的关键部件，在冲击载荷的作用下，经常发生疲劳断裂。为了实现有针对性的预防性维修，提出了一种冲击载荷作用下基于多领域协同仿真的抽筒子疲劳损伤与寿命预测方法。在建立虚拟样机和进行可信性验证的基础上，获取抽筒子的载荷谱。结合有限元静应力分析和材料的S－N曲线，预测抽筒子的疲劳寿命。设计了抽筒子疲劳寿命验证试验装置，在优化碰撞参数的基础上，验证了所建立疲劳寿命预测模型的正确性，为深入开展冲击载荷作用下机械零部件疲劳寿命预测提供了一种有效的技术途径。

（References）

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