沖擊載荷作用下抽筒子疲勞壽命預測與試驗驗證

胡慧斌，候曉鋒，曹立軍，馬吉勝

（1.軍械工程學院，河北 石家莊 050003；2.石家莊陸軍指揮學院，河北 石家莊 050084；3.西安軍代局，陜西 西安 710054）

抽筒子是火炮射擊過程中完成抽筒動作的主要部件［1］。在火炮服役過程中，抽筒子經常發生塑性變形，甚至斷裂，導致無法正常抽出藥筒，嚴重影響了火炮戰斗力的充分發揮。

疲勞斷裂失效往往是在機械系統運行過程中突然發生的，很難被及時發現，難以實現有效的預防性維修［2］。在抽筒過程中，抽筒子封裝在炮尾內部，操作人員難以直接觀察和測量工作載荷，而且抽筒子必須在短時間內快速地抽出藥筒，碰撞劇烈。傳統的測試和計算方法難以直接用于抽筒子失效分析，借鑒經驗進行人工判斷誤差較大。因此，如何運用科學的仿真手段分析和預測抽筒子的疲勞使用壽命，為及時實現預防性維修提供決策依據，是火炮具有良好戰備完好性的重要保證。

1 抽筒過程分析

抽筒子模型如圖1所示，其下方有內、外耳軸。外耳軸位于炮尾閂室內的抽筒子耳軸室內，用于支撐抽筒子，同時外耳軸外端被抽筒子壓栓前方的缺口卡住。人工關閂時，由抽筒子壓栓帶動抽筒子轉動，解脫對閂體的限制，閂體上升，閉合炮膛。內耳軸置于閂體定形槽內，開關閂過程中，沿著閂體導向槽滑動，并與閂體導向槽的臺階面配合，將閂體固定在開閂位置。抽筒子上端是抽筒子爪，裝填后抵在藥筒的底緣上。

火炮發射時，火藥在炮膛內燃燒并產生高溫高壓（最大壓力達400 MPa）的火藥氣體。藥筒在火藥氣體的作用下產生徑向膨脹，緊貼藥室內壁，密閉炮膛。復進時，火炮后坐部分以大約3m／s的速度撞擊開閂板，閂體向下運動，待閂體下降即將到位時，抽筒子滑槽的圓弧段迫使抽筒子內耳軸迅速向前，抽筒子前弧面抵在閂室前壁形成一個活動支點，從而使抽筒子爪迅速向后轉動，抽出藥筒。由于抽筒的過程非常短（6－10ms），屬于沖擊載荷作用下的瞬時碰撞過程，撞擊力大，碰撞劇烈，抽筒子在沖擊載荷的反復作用下極易發生疲勞斷裂，從而導致抽筒功能的喪失。從部隊統計和調研情況來看，抽筒子的主要失效模式是抽筒子斷裂，且抽筒子爪的斷口具有典型的疲勞斷口特征。筆者以抽筒子爪折斷這一典型的沖擊疲勞破壞為研究對象，研究沖擊載荷作用下基于協同仿真的疲勞壽命預測技術。

2 載荷譜的獲取

進行疲勞壽命預測與疲勞可靠性分析的首要問題是如何確定施加于零部件上的載荷譜。為了能夠準確地分析和預測抽筒子的疲勞壽命，必須采集該部件在工作過程中的載荷－時間歷程。由于抽筒過程時間短，沖擊力大，抽筒子封裝在炮尾內部，難以采用傳統的測量手段獲取抽筒子的載荷譜。虛擬樣機為再現火炮射擊過程中的抽筒動作和進行動力學分析提供了有效的途徑。

2.1 虛擬樣機的建立

為了能夠真實地再現抽筒過程、準確地測量抽筒子工作時的載荷譜，在Pro／E 和ADAMS 環境下，基于多體系統動力學，建立火炮炮閂系統虛擬樣機，虛擬樣機如圖2所示。對其射擊過程進行仿真［3－4］。虛擬樣機建立流程如圖3所示。

根據設計圖紙，利用三維實體建模軟件Pro／E建立火力系統的實體模型，添加零部件的固有信息，如密度、尺寸、材料和熱處理等，并在Pro／E 中進行初步裝配，通過Pro／E與ADAMS之間的無縫接口軟件Mechanism／Pro，將Pro／E模型導入ADAMS，添加約束和力，進行運動學和動力學仿真，根據仿真結果，驗證虛擬樣機的準確性，不斷進行修正和完善，直至誤差在允許的范圍內。

2.2 虛擬樣機的校核

為了驗證虛擬樣機的準確性，可以在保證試驗條件與虛擬樣機仿真條件一致的情況下，從定性和定量兩個方面驗證虛擬樣機仿真結果與試驗數據的一致性。定性校核主要包括：

1）觀察虛擬樣機各機構的動作順序和方式是否與實裝一致。

2）觀察對稱零部件的受力與運動是否一致。

3）運動學和動力學仿真結果是否與工程實際相符合。

定量校核需要設定與實裝試驗相同的仿真條件，如：當射角為0°，裝藥為全裝藥時，基于虛擬樣機得到的火炮后坐部分位移和速度曲線如圖4所示。

選取圖4曲線中關鍵參數的特征值（后坐部分的最大位移xmax和曲柄與開閂板碰撞時后坐部分的復進開閂速度vh）進行比較，如表1所示。

表1 仿真數據與理論數據對比

后坐部分最大位移和復進開閂速度仿真值與理論值之間的相對誤差均在5%范圍內，可以反映實裝的靜態和動態特性，完全能夠滿足工程應用的需要。

2.3 載荷譜的獲取

在圖2所示的虛擬樣機中，對抽筒過程進行仿真，得到火炮射擊過程中抽筒子的載荷譜，如圖5所示。第1個凸起是火炮射擊時，在火藥氣體的作用下藥筒膨脹，部分密閉炮膛的力作用在抽筒子上；第2個凸起是開閂過程中，抽筒子向后轉動，快速地抽出藥筒時所受的力。

3 抽筒子疲勞壽命預測流程

采用傳統的疲勞壽命估算方法（如名義應力法、局部應力應變法等），對沖擊載荷作用下抽筒子的疲勞壽命進行計算不但難度大，而且任務量也很大［5］。為此，基于三維實體建模軟件Pro／E、動力學分析與仿真軟件ADAMS、有限元分析軟件ABAQUS和疲勞分析軟件Designlife建立了基于協同仿真的疲勞壽命預測流程，如圖6所示。

1）建立虛擬樣機，進行動力學仿真，生成載荷譜和對應的DAC數據文件。

2）對零部件進行有限元分析，得到有限元靜應力分析結果。

3）將載荷譜和有限元靜應力分析結果輸入疲勞分析軟件，進行疲勞壽命計算。

可以看出，要計算抽筒子危險部位的疲勞壽命必須基于3 個基本條件：危險部位的應力譜、材料的S－N曲線和危險部位所承受的動載荷譜。

4 有限元分析

抽筒子有限元分析如圖7所示。

將依據圖紙建立的抽筒子Pro／E 模型導入ABAQUS，進行網格劃分。由于抽筒子爪是抽筒子工作過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維十節點四面體等參有限元模型［6］，如圖7（a）所示。

根據抽筒子在抽筒過程中的運動規律和抽筒子爪斷裂的故障特點，將抽筒子邊界條件簡化為固定抽筒子，抽筒力施加在抽筒子爪上，考察抽筒子的強度與壽命，如圖7（b）所示。

在抽筒子受力位置施加單位載荷，使用ABAQUS／Standard進行靜強度計算。圖7（c）是施加單位力后，進行有限元靜強度計算所得的受力云圖。從圖7（c）中可以看出，抽筒子爪前弧面根部所受的應力最大。

5 疲勞壽命預測

5.1 材料的S－N 曲線

抽筒子材料45CrNiMoVA 在指定存活率下的疲勞壽命如表2所示［7］。

表2 45CrNiMoVA在指定存活率（%）下的疲勞壽命（×103）

在表2中，ap和bp為可靠度N下的材料疲勞參數，Np表示疲勞應力σ作用下可靠度為p時的疲勞壽命。

圖8是對45CrNiMoVA 在疲勞極限以下的載荷，應用Miner準則修正后的MM 法則（Modified Miner Rule，簡稱MM 法則），所得到的在雙對數坐標下的lgσ－lgNp曲線。其中線段“1”的斜率為b1，表示在某可靠度下的有限壽命部分，線段“2”是應用MM 法則在其它應力范圍內對S－N曲線的修正結果。

根據文獻［7］和公式lgNp＝ap＋bplgσ可以計算出，當存活率為90%時，lgσ－lgNp曲線在縱坐標軸上的截距為

所以可得：σ＝2 829.4MPa

即應力范圍為

從而可以計算出線段“1”的斜率為

線段“1”和線段“2”交點處對應的疲勞壽命為

對應的應力對數值為

線段“2”的起點坐標為（6，2.694 7），終點坐標為（7，2.666 5）。因此，線段“2”的斜率為

由此可得45CrNiMoVA 的S－N曲線，如圖9所示。

5.2 疲勞壽命預測

基于ADAMS建立的虛擬樣機進行動力學分析與仿真，仿真結果以DAC 數據文件形式導入Designlife中；基于ABAQUS對抽筒子進行有限元分析，分析結果以ODB 數據文件傳輸到Designlife中，建立抽筒子疲勞壽命預測模型，應用Miner線性累積損傷準則進行損傷累積，預測其疲勞壽命。抽筒子疲勞損傷和壽命云圖如圖10所示?？梢杂嬎愠?，抽筒子最小壽命為39 490次，危險部位出現在抽筒子爪的前弧面根部，失效形式為疲勞斷裂。

6 試驗驗證

為了驗證所建立的疲勞壽命預測模型的準確性，針對抽筒子爪斷裂這一故障，設計了抽筒子疲勞壽命試驗。試驗原理如圖11所示。

試驗設備主要包括JM 壓電石英力傳感器、電壓放大器、動態信號測試分析系統（包括信號調理器、直流電壓放大器、低通濾波器、抗混濾波器和16位A／D 轉換器等）、試驗臺架、鋼塊（抽筒子材料為鋼）、銅塊（藥筒材料為銅）和連接電纜等。試驗裝置如圖12所示。設置銅塊以不同的自由下落高度，測量銅塊撞擊鋼塊的載荷譜，將測得的撞擊載荷譜與圖4所示的抽筒子載荷譜進行比較，可得銅塊撞擊高度為15.5cm 時，兩種載荷譜的波形、特征值非常相近，由此確定抽筒子疲勞壽命試驗的撞擊高度為15.5cm。利用撞擊試驗臺進行疲勞壽命試驗，經過42 400次撞擊后，抽筒子爪斷裂，與仿真結果39 490次接近，誤差為6.8%，說明本文建立的抽筒子疲勞壽命預測模型可以用于沖擊載荷作用下不規則零部件的疲勞壽命預測。

7 結論

抽筒子是火炮射擊后抽出藥筒的關鍵部件，在沖擊載荷的作用下，經常發生疲勞斷裂。為了實現有針對性的預防性維修，提出了一種沖擊載荷作用下基于多領域協同仿真的抽筒子疲勞損傷與壽命預測方法。在建立虛擬樣機和進行可信性驗證的基礎上，獲取抽筒子的載荷譜。結合有限元靜應力分析和材料的S－N曲線，預測抽筒子的疲勞壽命。設計了抽筒子疲勞壽命驗證試驗裝置，在優化碰撞參數的基礎上，驗證了所建立疲勞壽命預測模型的正確性，為深入開展沖擊載荷作用下機械零部件疲勞壽命預測提供了一種有效的技術途徑。

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