某迫击炮击发机构关键部件仿真分析

姜驰，葛建立，汤鹏扬，杨国来

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094；2.成都陵川特种工业有限责任公司，四川 成都 610110)

击发机构是迫击炮的重要组成部分,击针在冲击力作用下,撞击底火,使底火壳发生变形,底火内的击发药受到猛烈的挤压而被点燃,进而引燃发射药[1]。拨爪是击发机构中关键零件,受到拉柄的转矩,拨动击锤,因此要有足够的刚度、强度和耐磨性,以保证机构的可靠运行。可靠性和安全性都是击发机构在发射时的重要指标[2-3],拨爪断裂、出现卡顿均会导致迫击炮无法正常发射,从而带来安全隐患。

目前,已经有很多针对显式动力学及在火炮中的应用研究[4-6]。索昊等[7]采用参数化的有限元建模方法,仿真分析不同工况下车载迫击炮座钣和车架的动态特性,得到了座钣和车架的力学特性和传力路径并以此为基础进行优化。葛建立等[8]采用迫击炮-土壤非线性有限元模型,仿真分析不同工况下迫击炮座钣的刚强度,得到在发射过程中座钣各个时刻的应力和位移规律,并验证其准确性。梁传建等[9]从碰撞的角度出发,采用有限元的方法仿真火炮身管和摇架的运动过程,分析得到了身管与衬瓦间的接触应力和耳轴的反作用力随时间变化规律。王凯等[10]采用刚柔耦合动力学对某链式自动炮分度机构进行动力学仿真,同时考虑接触/碰撞因素,得到了发射时分度机构各部件的接触/碰撞关系。王红梅等[11]采用有限元探究不同击发方式的击发机构能量损失因素,得出摩擦和碰撞是造成击发机构能量损失的主要因素。

1 击发机构工作原理

某迫击炮击发机构由拉柄、拨爪、击锤、击针、套筒等组成。如图1所示的待发状态,拉柄通过拉柄轴带动拨爪转动,拨爪拨动击锤和套筒,击锤推动击杆,套筒与击杆相向运动,压缩弹簧,储存击发能量,当拨爪达到临界时,释放击锤,弹簧释放能量加速击锤与击杆运动,由于阻挡体的作用,弹簧运动一段距离,击杆受到阻挡体作用而停止运动,击锤由于惯性继续向前运动并以一定的速度撞击击针。

2 击发机构动力学仿真

2.1 击发机构建模及划分网格

由于射击试验中击发机构出现损坏的部件是拨爪,因此,将分析过程简化为拨爪拨动击锤到击锤撞击击针过程,将击针简化建模,保证相对位置不变,简化建模完成后生成X_T中性文件,导入到Hypermesh中进行网格划分。将所需的材料参数赋予网格,拨爪、击锤、套筒、机体等零件的材料模型如表1所示,其中E为材料的弹性模量,μ为材料的泊松比,ρ为材料密度,σs为材料的屈服极限,σb为材料的抗拉极限。

表1 击发机构模型参数

拨爪、击锤、拉柄轴、击锤轴、机体和套筒等采用八节点六面体网格单元C3D8R,含少量楔形体。主体部分单元尺寸为0.5 mm,为保证计算精度,各部件接触部位细化单元尺寸为0.25 mm。击发机构共划分126 178个网格,149 175个节点;并进行网格无关性验证,划分完网格机构的有限元模型如图2所示。

2.2 接触面定义

将划分好的击发机构网格导入有限元分析软件ABAQUS中,设置显示动力学分析步,当两个构件之间发生接触行为时,这两个构件会在接触位置产生接触力[12]。本机构中有多个接触:拉柄与拉柄轴接触,拉柄轴与拨爪接触,拨爪分别与击锤和套筒接触,击锤分别与击锤轴和击杆接触,机体分别与套筒和击杆接触,共计8个接触。主面选择网格划分较粗的面,从面选择网格划分较细的面,切向存在摩擦,根据实际润滑情况,设置摩擦系数为0.1,法向设置面-面硬接触。

2.3 约束和边界条件

由于拉柄轴和击锤轴都是绕着其轴心转动,因此,利用参考点对有限元模型进行分布式耦合约束,边界条件施加在耦合点上,击针端面轴心线为X轴,击锤轴轴心线为Y轴,按右手定则确定Z轴,建立的坐标系如图3所示。

击发机构各部件拓扑关系如图4所示。约束U1、U2、U3分别对应约束沿X轴、Y轴、Z轴的移动;约束UR1、UR2、UR3分别对应约束绕X轴、Y轴、Z轴的旋转。由于拉柄轴是主动件,因此,在拉柄轴耦合点上施加U1、U2、U3、UR1、UR3约束,让拉柄轴只可绕其轴心旋转;由于击锤轴是从动件,在击锤轴耦合点上施加U1、U2、U3约束,约束击锤轴的位移;击发机体在击发过程中位置不变,因此,将边界条件施加在机体的表面,机体圆柱面施加U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3全部的约束,让机体固定;为了避免在仿真过程中拨爪和击锤沿着拉柄轴和击锤轴轴向移动,在拨爪、拉柄轴、击锤和击锤轴的中面施加U2约束,约束其沿转轴即Y轴轴向的位移;由于本研究只研究击锤撞击击针瞬间前的运动过程,因此让击针端面固定。

2.4 簧力和载荷的施加

由于套筒、击杆与弹簧的端部接触,在套筒、击杆与弹簧接触面建立耦合点,并为部件添加弹簧初力[13]。在实际发射过程中,人工拉动拉柄,因此,拉柄的转动导致拨爪的转动速度不同,在拨爪轴轴心及击锤轴轴心处设置转动副,套筒、击杆及击针处设置移动副。故对拨爪轴施加一个绕拨爪轴心的转动曲线,分别以0.700、0.525、0.350、0.175 s转动0.75 rad的转速曲线,转动曲线贴合拨爪外形。各部件接触示意如图5所示,各部件约束示意如图6所示。

3 击发机构仿真结果及分析

对4种发射工况下的击发机构动态非线性进行有限元仿真,得到击发过程拨爪在各个时刻的应力和位移分布结果,对不同工况拉动时间进行归一处理。拨爪敏感点位置如图7所示,拨爪敏感点在不同拉速下的时间-应力曲线如图8所示,最大应力如表2所示。

田卓就坐在办公桌前，快速浏览起来。看完了，抬头向高潮投过来费解的眼神，问，这上访的材料，跟我们有什么关系？

表2 拨爪敏感点最大应力

由应力分布结果可知,最大等效应力值达到737.5 MPa,小于拨爪材料屈服极限785 MPa,满足强度要求,但是安全系数较小。在不同的拉发速度作用下,拨爪的应力最大位置主要出现在与拉柄轴接触处左上角及与击锤接触处的爪尖;且随着拉发时间变短,拨爪最大应力呈上升趋势。此外,拨爪与拉柄轴接触处右下角也普遍存在应力集中情况,说明此处结构相较其他位置较为薄弱。虽然右下角处应力集中情况随拉发时间的变化未见明显规律,但当系统处于非正常工作状态时,此处存在破损可能。拨爪与套筒接触应力云图如图9所示。

在仿真分析中发现,拨爪主要与拉柄轴、套筒及击锤进行作用。拉柄轴与拉火柄体相连,属于主动部件,其拉发速度对拨爪应力存在影响,但不会使拨爪出现结构破裂,当其处于卡顿等非正常工作状态时,主动件停止动作不会继续向拨爪施力,拨爪由此原因破裂可能性较小;击锤同时与拨爪及击杆相互作用,但其击锤轴为圆轴,与其他两部件为线接触关系,出现卡顿等非正常工作状态可能较小;套筒同时与击发簧、击发机体及拨爪相互作用,拨爪通过旋转给予套筒侧向向下的作用力使其压缩击发簧,但套筒与击发机体的作用形式为面接触,当其受到侧向力时会产生旋转力矩,增大套筒侧面与击发机体内侧面的作用力从而增加两者间的摩擦力,此时套筒易出现卡顿情况。

拨爪受到接触应力最大值主要不是在拨爪与击锤接触的尖部,而是在拨爪与拨爪轴配合的端部,与试验失效部位相符,即拨爪的失效不是在击锤的直接作用下产生的,而是在拨爪轴、击锤和套筒的共同作用下,在拨爪内部产生拉-压应力,在拨爪孔几何形状突变处产生的应力最大。

4 疲劳寿命预测分析与改进

4.1 疲劳寿命相关理论

根据击发机构有限元分析结果可知,拨爪的最大应力在屈服强度范围内,因此需要对拨爪进行疲劳分析[14]。

MINER法则又称之为线性累计损伤理论,在很多疲劳累计理论中是最简单、最常用的MINER法则认为材料的疲劳破坏是由于循环载荷的不断作用而产生损伤并不断累积造成的;疲劳损伤累积达到破坏时吸收的净功W与疲劳载荷的历时无关,并且材料的疲劳损伤程度与应力循环次数成正比。设材料在某应力下达到破坏时的应力循环次数为N1,经n1次应力循环而疲劳损伤吸收的净功为W1,根据MINER理论有

(1)

则在第i个应力水平级别下对应经过Ni次应力循环时,材料疲劳累计损伤为

(2)

式中:ni为第i级应力水平下经过的应力循环次数,Ni为第i级应力水平下达到破坏时的应力循环次数。当D>1时,零件发生疲劳破坏[15]。

笔者通过对击发机构的动态分析,采用S-N疲劳设计和动态疲劳分析法,用ABAQUS软件对击发机构进行动力学分析,再利用nCode-Design-Lifer软件进行疲劳可靠性分析,确定拨爪容易发生疲劳破坏的位置和各节点的疲劳寿命。

4.2 疲劳分析与改进

在ABAQUS中用冲击转速对拨爪进行动力学分析,把显示动力学仿真得到的各个构件任意点的时间-应力转换成时间步,材料的S-N曲线采用Goodman法修正[16],在nCode中搭建分析流程,将各个参数设定好后进行流程的运行分析,分析结束后得到疲劳分析结果云图,如图10所示。

由疲劳寿命分析结果图可知,拨爪疲劳寿命最小的地方位于拨爪孔几何形状突变处,可循环次数为118次,即拨爪寿命为118发,得出的仿真数据与射击试验的数据较为接近。

将拨爪孔形状突变处采用圆角过度、改进拨爪孔弧线的半径、改变拨爪孔的尺寸增大拨爪与拉柄轴的接触面积;改进后拨爪的最大应力由737.5 MPa降至553.8 MPa,有很大的改善。寿命也由原来的118发提高到2 367发,如图11所示。

5 结束语

建立了能够表征某拉发式迫击炮击发机构有限元模型,仿真计算得出击发机构中应力较大的位置。拨爪应力较大位置在于爪尖处和拨爪孔几何形状突变处;拉速是影响击发机构最大应力的重要因素,拉速越快最大应力越大,拉速不同最大应力位置也会发生改变。基于nCode软件对拨爪进一步疲劳分析,得出拨爪易损伤位置的疲劳寿命。拨爪与其他构件的接触碰撞力作用时间短,短暂一次冲击作用不足以对拨爪造成严重的损伤,但在迫击炮发射过程中,拨爪与其他零件反复接触碰撞,每次接触碰撞都会对拨爪造成一定的损伤,当损伤累积到一定程度,拨爪会发生失效。

通过结构优化改善拨爪孔几何形状突变处的应力集中,改变拨爪孔的尺寸来降低最大应力,从而提高拉发机构的疲劳寿命。改进方案的效果需要进一步试验验证。本文研究结果为击发机构的优化设计和工程应用提供了理论依据。