炮闩磨损仿真技术浅析

随着科学技术的飞速发展，机械系统向着结构高度复杂化、功能集成化和动作智能化趋势发展，其动力学行为变得越来越复杂，由此带来的是机械故障率增加，可靠性降低。对于武器装备，可靠性已经成为与性能同等重要的研制目标，对武器装备的作战能力、部署机动能力、维修人力和使用保障费用等都具有重要影响。

一、背景及意义

21世纪以来，尽管受到导弹等各种精确制导武器的挑战，享誉“战争之神”的火炮依然深受世界各国的青睐，它们不但在世界军备库中数量众多，而且新的型号还不断问世，由此不难看出火炮的在各国武器装备中依然占有重要地位。

1.炮闩研究的重要性

炮闩作为火炮至关重要的组成部件，是一个纯机械系统。其性能的好坏直接决定了火炮作战威力能否正常发挥，并且关系到武器本身完好性和操作人員安全。炮闩中机构的可靠性是指机构在规定的工作条件下和规定的时间内完成规定的动作任务的能力，该项性能直接影响其他机构动作过程中的质量及整个系统功能的正常发挥，因而是衡量机构性能优劣的重要指标之一。对于维修人员来说，确定了构件的可靠性，也就明确了维修保养的时机，据此合理筹措备件，在失效发生前及时更换，有助于火炮顺利完成其战斗任务。因此，炮闩可靠性研究也就显得尤为重要。

2.模拟试验的探索

早在二十世纪四十年代，以模拟试验为代表的可靠性试验技术产生，并经历了有单环境因素到综合环境因素的可靠性试验过程。由于模拟实验存在周期长、效率低、耗费大的缺点，而且完全真实地模拟产品的使用环境往往存在诸多困难，必须开发一种新的经济有效的替代法来适应这一需求。激发试验应运而生，它通过施加激发应力环境快速检测并清除产品的潜在缺陷。试验所施加的应力并不模拟真实环境，而以提高激发效率为目标。

二、相关可靠性试验研究现状

从20世纪80年代后期开始，激发试验技术开始出现。激发试验不以环境的真实性模拟为目标，而是通过强化环境来进行试验，以提高试验效率、降低消耗。

1.国外研究情况

1988年，G.K.Hobbs提出了高加速寿命试验（HALT）和高加速应力筛选试验（HASS），其核心即对产品施加远超过设计规范的应力，逐步提升应力水平，逐渐排除缺陷，又称为步进应力试验。1994年，波音公司将以实现高效、可靠性增长为目的的HALT命名为可靠性加速或强化试验（简称RET）。RET适用于全新研制、服役中可靠性低或需要大修和重新鉴定的产品，注重失效机理的一致性和试验效率，而不强调环境模拟的真实性。

2.国内研究情况

可靠性强化试验在国内开展得比较晚，从20世纪90年代中后期开始进行跟踪研究，由陈奇妙主编的《国外可靠性强化试验技术文集》是较早系统介绍国外可靠性强化试验概念的文献之一，比较新的著作有温熙森等编著的《可靠性强化试验理论与应用》，对近年来可靠性强化试验技术领域的重要研究成果以及技术创新进行了论述。国防科技大学在可靠性强化试验理论专项研究和系统应用上去得到成果比较丰硕，如褚卫华的模块级电子产品可靠性强化试验方法研究，易难等对某型电源装置开展了可靠性强化试验的条件和方法研究，从而缩短了试验时间。

可靠性强化试验在我国从理论到试验设备再到具体的实践已经得到一定的发展，但是很多理论和技术研究还不够深入，应用不太成熟，需要付出更多的努力去探索。

3.利用仿真技术进行可靠性试验的可行性

计算机技术的高速发展，让越来越多的构想成为现实。将现实的物理样机或系统的分析研究转移到虚拟样机技术上来，就是一个非常典型的应用实例。从实体建模，到多体动力学仿真，再到结构参数优化等充分发挥虚拟样机技术的优势，便于全方位、多角度的观测和分析。

三、关于炮闩磨损仿真技术的基本构想

利用专业软件，建立模型，尔后根据磨损的特征和机理以及强化试验仿真的相关理论实现炮闩磨损的强化试验。

1.模型的建立

通过专业软件把火炮部件集成到一个可视化环境中，实现火炮装备的建模仿真，计算机技术的价值得到充分体现。炮闩零件较多，结构复杂，在动力学仿真软件ADAMS中完成零件的造型任务会很艰巨，借助其他比较专业的三维CAD造型软件来建立各个大小不等、形状复杂的零部件的实体模型，并完成较精确的装配可以有效减小工作量，然后将模型转换到ADAMS中进行试验。

2.磨损的特征和机理

磨损是机器零件在正常运转过程中不可避免的一种能量耗散的现象。按照比较通用的、由布维尔提出的按磨损机理的分类方法，通常把磨损分为五类：粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损。而根据炮闩中各零部件的实际运动情况和零件表面形态，它们基本上都以粘着磨损为主。粘着磨损一般发生在相互滑动（或转动）的干摩擦表面上，其基本物理过程可认为是粘着-剪切-再粘着-再剪切的循环。磨损主要以材料转移的形式表现出来。在炮闩中，磨损作用的结构形式主要有三种：非规则外廓的凸轮表面磨损、圆柱磨损和平面磨损，它们的计算有各自的特点，其中非规则外廓的凸轮表面磨损最具有一般意义。

3.基于磨损的强化试验仿真

强化试验通过提高试验对象的工作应力水平，以达到在短时间内激发试验对象失效的目的，从而对试验对象的可靠性进行快速评估。但是，强化试验中提高应力水平可能产生与实际服役环境中观测结果不同的失效机理。因此，有必要对强化试验机制下的失效机理进行探讨。强化失效机理的研究内容包括自然失效机理、加速失效机理漂移，以及加速失效机理漂移的控制等。对于失效模式为磨损的构件来说，强化试验的具体方案就是通过一定的强化试验技术来加快构件表面的磨损，并且要防止磨损失效这一故障机理的漂移，保证试验数据代表实际操作条件下的可靠性。本文主要是进行简要的分析和可行性探究，不做更进一步的分析。

参考文献：

[1]Hobbs G K. Accelerated reliability engineering： HALT and HASS[M]. San Francisco： John Wiley and Sons Inc， 2000.

[2]褚卫华. 模块级电子产品可靠性强化试验方法研究[D]. 长沙： 国防科学技术大学， 2003.

[3]荣吉利， 张涛. 航天火工机构可靠性的强化试验验证方法[J]. 宇航学报， 2009.

[4]刘贤喜. 机械系统虚拟样机仿真软件的实用化研究[D]. 中国农业大学博士学位论文，2001.

作者简介：蔡浩（1990-11），男，汉族，河北廊坊大城人，学历：本科，讲师，轻便火炮修理，教员。