发射车液压油缸应力分析与弱磁损伤探测技术研究

2023-02-11李志成屈彩虹王胜科

兵器装备工程学报 2023年1期

刘涛，朱遴，李志成，屈彩虹，王胜科

(1.海军航空大学，山东烟台 264001；2.中国人民解放军海军研究院，北京 100010)

1 引言

某型导弹发射车的调平装置需要经常承受车辆自身的大重力和发射作用力，在应力集中区域容易发生裂纹等内部损伤，如不加以及时探测识别，对装备的可靠性和寿命将会产生重大影响，甚至发生安全事故[1-3]。本文以车辆调平油缸为研究对象，通过结构承力分析、有限元建模仿真等方法，得到设备的结构应力云图，确定结构损伤薄弱部位，作为探测实验损伤设置的输入，然后设计阵列式弱磁检测设备，进行弱磁探测仿真实验，结果表明，弱磁探测技术能够有效检测调平油缸的应力损伤缺陷。

2 调平油缸承力分析

调平装置为某型导弹发射车提供稳定的发射基准平台，是其主要承力系统。调平装置主要包括4个调平油缸，呈方形分布在车辆底盘两侧，并通过安装座与底盘底梁的扭杆座相连。以车辆前部2个调平油缸为例，图1为调平状态平面受力图。设左前油缸支脚受到地面支撑力为Fd1，油缸外筒受到的支撑力为F1，底盘底梁的重力为Fm，油缸外筒受到Fm施加的力矩为M1[4]。

图1 调平状态平面受力图

经受力分析可得：

Fd1+Fd2=Fm=G/2

(1)

F1=Fd1

(2)

M1=Fm×d1

(3)

σ1=Fd1/s

(4)

式(1)～(4)中：G=4×105N,为车辆重力；d1=1.5m,为活塞杆所受应力；S为活塞杆截面积，其直径为120mm。得到：

M1=3×105N·m,σ1=8.846 4×104N/m2

3 有限元建模与仿真

利用Solidworks软件建立调平装置的三维模型，将该模型导入ANSYS有限元分析软件中，并通过定义材料数据、修改优化模型、工作平面转化、网格划分等步骤，得到ANSYS网格模型，如图2所示[5-10]。

图2 调平装置有限元模型

根据受力分析结果，对调平起竖装置施加约束、载荷及扭矩，包括顶部和底部的固定约束、油缸外筒的应力、支撑架的扭矩等，最后进行仿真求解，得到调平油缸和起竖耳座的受力云图如图3所示。

图3 调平油缸内外受力云图

由图3分析得到，调平装置上半部分液压缸受到的应力范围为16.6～19.4 MPa，调平油缸的安装座与调平油缸连接处的应力范围为11.7～16.6 MPa，而液压缸的内部(被液压油充满的液压缸内壁)应力较为集中，最小的应力为16.6 MPa，最大的应力为31.1 MPa，为整个调平装置的最大应力点，是结构损伤检测的重点部位。

4 弱磁无损检测技术

弱磁无损检测技术是在天然地磁场的环境下，通过磁矢量传感器对检测对象表面或近表面进行扫查，根据不同方向上磁感应强度的变化来判断检测试样中是否存在缺陷的一种无损检测技术。相比较现有的超声、射线、涡流等损伤检测技术，弱磁无损检测具有无需表面处理、对人体无损伤、设备轻便、原位探测等优势[11-13]。

4.1 基本原理

将被检试件置于地磁场中，若材料的材质是连续均匀的铁磁性物质或顺磁性物质，则磁感应线被约束在材料中；但当材料中存在不连续缺陷时，材料的组织状态会使磁导率发生变化，在材料的不连续处缺陷会发生磁异常。若材料本身的相对磁导率大于材料中缺陷处的相对磁导率，则在缺陷处试件表面的磁感应强度变大，磁感应线表现为向上凸起，如图4所示。相反，如果材料本身的相对磁导率小于材料中不连续缺陷处的相对磁导率，则磁感应线表现为向下凹进。弱磁无损检测技术正是利用测磁感应器测量试件表面的磁感应强度，来判断材料中是否存在缺陷[14-15]。

图4 铁磁性物质磁异常特征图

4.2 弱磁无损检测设备结构组成

弱磁无损检测仪器的基本系统组成如图5所示。首先由测磁传感器采集磁感应强度信号，并传送给信号采集处理单元，处理单元将磁信号处理后，通过以太网与工控机通信，最后利用工控机的上位机控制软件对数据进行处理，通过成像算法呈现缺陷图像，以供检测人员分析，判断和处理[16]。

图5 弱磁无损检测仪器系统框图

测磁传感器采用双磁芯串联结构平行励磁式磁通门传感器。由于2个磁化线圈的励磁方向相反，它们在检测线圈中所产生的磁通相互抵消，只有被测磁场和周期性变化的磁芯磁导率引起检测线圈的磁通变化。

4.3 调平油缸弱磁传感器采集装置设计

弱磁探测技术需要将测磁传感器在被测试件表面沿一固定方向移动。设计一个调平油缸阵列式弱磁测量装置，如图6所示，该装置由5个测磁传感器及滑道组成，2个相邻滑道之间由阻尼铰接相连，传感器外侧固定有移动手柄，检测时整个装置利用4个吸盘固定在调平油缸上。

图6 阵列式弱磁测量装置

该装置的优点在于：

1)传感器移动具有良好的稳定性和直线性，避免了以往手持式的不稳定情况；

2)操作人员能够同时操作5个移动手柄进行检测，实现了各传感器的检测一致性；

3)传感器阵列与调平油缸表面弧形相契合(如图7所示)，保证各传感器的探测方向垂直于试件表面；

图7 测量装置测试俯视图

4)利用测试得到的5组磁感应强度曲线，能够综合分析得到内部缺陷的基本形状；

5)该装置探测效率高，适应性强，能够适用于不同尺寸的回转型试件。

4.4 传感器探测移动速度要求

设测磁传感器的检测频率为 f，检测锥面角为θ，传感器与试件垂直距离为d，如图8所示，得到轴向检测范围为：

图8 传感器探测速度示意图

l=2·d·tan(θ/2)

(5)

根据检测率P≥100%的要求，得到：

(6)

式(6)中，v为传感器探测移动速度。

从而得到移动速度的限制条件为：

v≤2·d·tan(θ/2)·f

5 建模与仿真

5.1 建模

利用ANSYS的磁场分析程序MAXWELL，选用单元SOLID96，分析静磁场，设置空气的相对磁导率1，调平油缸材质为45号钢表面镀铬，定义其磁导率大小为100。对模型施加磁场大小相同的场强来模拟地磁场，设置地磁场强值为5×10-5T，磁标量为39.8 A/m。仿真得到调平油缸感应磁力线云图如图9所示[17-19]。

5.2 微小裂纹测量仿真

设置调平油缸内部微小裂纹损伤大小为5 mm×2 mm×2 mm，位置为上半部分距离顶端20 cm处，距表面深度为10 mm，填充物质为空气。

利用弱磁探测传感器对油缸上半部分从上向下进行检测，提取经过损伤路径上的磁感应强度曲线如图10所示。由图10可以看出，在约200 mm处，磁感应强度曲线出现了向上突变，表明该处存在应力集中或裂纹缺陷，与设置相符。曲线向上突变，是由于损伤处磁导率很小，磁力线在油缸表面聚集，磁感应强度数值出现向上突变。

图10 调平油缸表面磁感应强度曲线

5.3 狭长裂纹测量仿真

设置调平油缸内部裂纹为横向裂纹，大小为80 mm×4 mm×1 mm，裂纹位置为油缸上半部分距离顶端20 cm处，裂纹中心位置深度为10 mm，填充物质为空气。

利用阵列式弱磁测量装置对油缸从上向下进行检测。设相邻传感器的间距为20 mm，提取经过损伤路径上的磁感应强度曲线，组合得到磁感应强度曲线阵列，如图11所示。从图11中看出，5根在200 mm处均出现了明显的向上突变，说明该位置有较长延伸的缺陷，长度不小于80 mm，与设置相吻合，证明了阵列式弱磁测量装置检测的有效性。图11中缺陷两端的磁感应强度突变量明显大于缺陷中心位置，主要原因是缺陷两端离油缸表面距离更近。