中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 馬彥晉 蘇鐵熊 仝志輝

火炮彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 馬彥晉 蘇鐵熊 仝志輝

傳統(tǒng)反后坐裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量重、制造成本較高，為了彌補(bǔ)這些不足，設(shè)計了一種可用于火炮的彈性膠泥緩沖器，并對其進(jìn)行有限元分析。通過UG軟件建立火炮彈性膠泥緩沖器三維模型，對其做簡化處理，然后導(dǎo)入ANSYS中劃分網(wǎng)格、施加約束條件和載荷，最后進(jìn)行求解，對其應(yīng)力和變形進(jìn)行評價。通過分析發(fā)現(xiàn)，將活塞桿直徑加粗可以大幅度地降低應(yīng)力水平，提高安全系數(shù)。利用ANSYS軟件對設(shè)計的火炮彈性膠泥緩沖器進(jìn)行了有限元分析計算，指導(dǎo)了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計。

火炮反后坐裝置；彈性膠泥緩沖器；有限元分析

現(xiàn)代火炮普遍采用了反后坐裝置，它主要是由制退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)組成。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對火炮系統(tǒng)性能和威力的要求不斷提高[1]，為了在不降低火炮系統(tǒng)性能的前提下同時提高火炮的機(jī)動性，彈性膠泥緩沖器火炮應(yīng)運(yùn)而生。這種結(jié)構(gòu)的火炮以具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、性能穩(wěn)定、耐老化性強(qiáng)、使用壽命長，且無毒無臭等特點(diǎn)，受到了火炮研究者的青睞，因而與火炮匹配的緩沖器的設(shè)計非常重要，但設(shè)計難度也比較大。有限元法是現(xiàn)代兵工、機(jī)械設(shè)計的重要工具．對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品開發(fā)制造成本、縮短開發(fā)周期具有重要意義。

1 火炮反后坐裝置原理簡介

在火炮炮身與架體之間安裝的、用來耗散和儲存緩沖減振方向?；鹋谏鋼魰r的后坐能量并使炮身復(fù)位的結(jié)構(gòu)部件稱為反后坐裝置[2]。傳統(tǒng)反后坐裝置一般由制退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)兩部分組成，火炮發(fā)射時，一方面火藥燃?xì)馔苿訌椡柘蚯斑\(yùn)動直至脫離炮口，另一方面膛內(nèi)火藥氣體也作用于炮身，使炮身等構(gòu)件向后運(yùn)動，這稱為后坐運(yùn)動?；鹋诤笞鴷r，制退機(jī)給將一個幅值很大、變化劇烈的炮膛合力在短距離上做的功轉(zhuǎn)化為一個幅值較小、變化平穩(wěn)的后坐阻力，從而起到緩沖的作用；火炮復(fù)進(jìn)時，復(fù)進(jìn)機(jī)給炮身等構(gòu)件提供一個向前的力，最終使其回復(fù)到發(fā)射前的狀態(tài)，從而起到復(fù)進(jìn)的作用。

2 火炮彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)設(shè)計

火炮彈性膠泥緩沖器是一種把可壓縮體積的，具有流動性、粘彈性的膠泥放于密閉的容器中，以實現(xiàn)在火炮后坐時緩沖后坐能量，復(fù)進(jìn)時提供復(fù)進(jìn)力的機(jī)構(gòu)。由于彈性膠泥的特殊性質(zhì)，使其具有相當(dāng)于傳統(tǒng)反后坐裝置中的制退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)的作用?；诖?本文設(shè)計出一種可以用于火炮的彈性膠泥緩沖器，其結(jié)構(gòu)如圖1

圖1 火炮的彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)示意圖1活塞桿2端蓋3缸壁4活塞5注氣閥6單向閥

活塞桿1與火炮后坐部分固連，缸壁3與火炮搖架固連。通過注氣閥5向氮?dú)馐覂?nèi)注入高壓氮?dú)?，并通過單向閥6，使活塞工作腔內(nèi)膠泥壓力升高到預(yù)壓力P。當(dāng)火炮發(fā)射前，外力F小于預(yù)壓力P，活塞桿保持靜止不動；當(dāng)火炮發(fā)射過程中，當(dāng)后坐力大于預(yù)壓力P時，火炮后坐部分向后運(yùn)動，帶動活塞桿1隨之運(yùn)動，同時帶動活塞4向容器內(nèi)運(yùn)動?；钊麛D壓工作腔內(nèi)膠泥，一方面使得膠泥體積被壓縮，另一方面使得膠泥經(jīng)過活塞上的4條阻尼槽流動，起到阻尼的作用。隨著膠泥體積的減小，產(chǎn)生的后坐阻力逐漸增大，直到與后坐力F相等；當(dāng)后坐力減小直至消失時，膠泥體積恢復(fù)到原狀，推動活塞向容器外運(yùn)動到起始位置。

3 緩沖器關(guān)鍵部件分析

由膠泥緩沖器的工作原理可知，活塞桿是最重要的受力部件，因此有必要對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。大量的工程實踐證明ANSYSWorkbench中的靜力學(xué)模塊可以準(zhǔn)確地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，因此，下文將利用該軟件對活塞桿進(jìn)行強(qiáng)度分析校核。

3.1 模型前處理

為了得到質(zhì)量較好的網(wǎng)格，必須對活塞桿中一些倒角、螺紋等微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理[3]。簡化處理后將活塞桿模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中，并對其劃分網(wǎng)格，得到有限元模型如圖2。

圖2 活塞桿有限元模型

3.2 模型初步分析

通過查閱相關(guān)資料可知，現(xiàn)有火炮的后坐阻力一般不超過2×105N[4]，因此將2×105N作為活塞桿受到的最大外力。在ANSYSWorkbench中，將其加到活塞工作面上如圖3（a）所示。在活塞桿和后坐部分連接軸肩處施加固定約束如圖3（b）所示。

圖3 載荷和約束施加情況

對施加好載荷和約束的活塞桿有限元模型進(jìn)行求解，得到活塞桿的應(yīng)力和變形如圖4。

圖4 原活塞桿應(yīng)力與變形情況

3.3 改進(jìn)優(yōu)化后分析

由圖4（a）可以看出活塞桿的最大受力為442.77MPa，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限235MPa，因此必須對其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。通過查閱液壓缸設(shè)計手冊[5]，將活塞桿直徑由30mm分別變?yōu)?0、50mm，并再對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。得到結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 優(yōu)化后活塞桿(40mm)應(yīng)力與變形情況

圖6 優(yōu)化后活塞桿（50mm）應(yīng)力與變形情況

4 結(jié)果分析

表1 活塞桿不同直徑時對應(yīng)的受力情況

由上表可以看出，當(dāng)活塞桿直徑由30mm變?yōu)?0mm后，其最大應(yīng)力由283.24MPa降為159.28MPa,減小了約 44%，最大變形由 0.68324mm降為0.38943mm，減小約43%，。當(dāng)活塞桿直徑由30mm變?yōu)?0mm后，最大應(yīng)力由283.24MPa降為101.91MPa,減小了約 64%，最大變形由 0.68324mm降為0.252mm，減小約63%，質(zhì)量由23.53kg變?yōu)?8.63kg，增加了約22%。

5 總結(jié)

本文設(shè)計出了一種可連接在火炮上的彈性膠泥緩沖器，通過對其關(guān)鍵受力零部件進(jìn)行強(qiáng)度分析，找出了彈性膠泥緩沖器的薄弱部位，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使其滿足安全要求。為火炮彈性膠泥緩沖器地設(shè)計和改造提供了理論依據(jù)。

[1]談樂斌，張相炎，管紅根等.火炮概論[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：15～18．

[2]高躍飛.火炮反后坐裝置設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：25．

[3]許京荊.ANSYSWorkbench13.0數(shù)值模擬技術(shù)[M]．北京：中國水利水電出版社，2012：98．

[4]張相炎.火炮設(shè)計理論[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：98．

[5]李兵，黃方平.液壓與氣壓傳動[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012：48．

馬彥晉，男，1987年9月出生，山西省大寧縣人，碩士，研究方向：