胡勝海,張滿慧,富 威,劉秀蓮

(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)

火炮立楔式炮閂抽筒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性*

胡勝海,張滿慧,富 威,劉秀蓮

(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)

針對(duì)火炮立楔式炮閂抽筒系統(tǒng)中的卡殼和構(gòu)件動(dòng)態(tài)斷裂等抽筒故障,以動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ),將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的定量研究。分析了抽筒系統(tǒng)的工作機(jī)理并建立了連續(xù)接觸動(dòng)力學(xué)模型,定量地推導(dǎo)出藥筒及系統(tǒng)內(nèi)接觸構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和碰撞載荷。建立了杠桿式抽筒子在抽筒過(guò)程中的彈性波動(dòng)模型,采用該模型能夠定量地得出抽筒子的動(dòng)應(yīng)力分布和力學(xué)參數(shù)的影響。進(jìn)行了理想抽筒工況下理論模型的數(shù)值計(jì)算和實(shí)體模型的仿真模擬,同組比較結(jié)果驗(yàn)證了定量分析模型的合理性。所建模型可為解決抽筒故障提供理論依據(jù),也可為抽筒系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作鋪墊。

動(dòng)態(tài)特性;非線性動(dòng)力學(xué);連續(xù)接觸;彈性波動(dòng);抽筒系統(tǒng)

在火炮射擊過(guò)程中,負(fù)責(zé)抽出藥筒的是炮閂裝置中的抽筒系統(tǒng)[1]。由部隊(duì)訓(xùn)練中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有文獻(xiàn)[2-3]歸納可知,抽筒故障主要有兩方面:一是卡殼,即藥筒在抽筒系統(tǒng)產(chǎn)生的抽筒力與身管內(nèi)抽筒阻力的綜合作用下不能獲得足夠的拋射速度;二是抽筒系統(tǒng)構(gòu)件發(fā)生塑性變形甚至動(dòng)態(tài)斷裂,導(dǎo)致抽筒失效。這將導(dǎo)致火炮工作停止,嚴(yán)重影響其戰(zhàn)斗力的充分發(fā)揮。因此,有必要系統(tǒng)地對(duì)火炮抽筒系統(tǒng)進(jìn)行分析,并著重研究其在抽筒過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。

由于抽筒系統(tǒng)的工作過(guò)程具有短周期和高頻響應(yīng)特征,且涉及多種物理場(chǎng)的相互作用,因此采用實(shí)體仿真模擬是主要的研究手段。侯保林等[2]在抽筒系統(tǒng)的仿真模型中計(jì)及構(gòu)件間的摩擦、接觸碰撞和復(fù)進(jìn)速度等影響因素,提出克服抽筒故障的措施。卓曉琪[4]利用抽筒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究抽筒故障,分別得出復(fù)進(jìn)速度、抽筒阻力和開(kāi)閂板參數(shù)的影響,并提出了改進(jìn)抽筒性能的途徑。杜中華等[5]建立了某型火炮的開(kāi)閂模型用于研究其動(dòng)力學(xué)特性,得出了開(kāi)閂碰撞力即前端抽筒力的變化規(guī)律以及它對(duì)復(fù)進(jìn)速度的影響。楊艷峰等[6]建立了炮閂沖擊試驗(yàn)臺(tái)的理論模型,模擬開(kāi)閂抽筒力的各個(gè)沖擊位置對(duì)抽筒過(guò)程的作用。張建等[7]和Tang Wenxian等[8]建立了抽筒功能部件的有限元模型,并分別利用瞬態(tài)和柔體動(dòng)力學(xué)仿真方法研究其在抽筒過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。然而,現(xiàn)有文獻(xiàn)中抽筒系統(tǒng)的仿真模擬極為依賴環(huán)境參數(shù),對(duì)其定性計(jì)算結(jié)果無(wú)法進(jìn)行強(qiáng)效檢測(cè),也缺乏對(duì)應(yīng)的理論分析模型進(jìn)行定量地驗(yàn)證。

本文中,基于動(dòng)力學(xué)理論,以中小口徑火炮立楔式炮閂的抽筒系統(tǒng)為對(duì)象,定量地研究其在抽筒過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。分析抽筒系統(tǒng)的工作機(jī)理,建立其工作狀態(tài)下的連續(xù)接觸動(dòng)力學(xué)模型,并以彈性波動(dòng)方法推導(dǎo)抽筒子(系統(tǒng)功能部件)結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力分布。最后進(jìn)行具體工況下理論模型的離散數(shù)值計(jì)算和實(shí)體模型的定性模擬,由兩組結(jié)果驗(yàn)證定量模型的正確性和有效性。通過(guò)定量地分析抽筒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,為解決抽筒故障問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 火炮抽筒系統(tǒng)的工作機(jī)理

以圖1所示的85 mm加農(nóng)炮的半自動(dòng)立楔式炮閂[9]為對(duì)象,對(duì)其抽筒系統(tǒng)進(jìn)行分析。其中,抽筒系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)部件有閂體、掛臂、杠桿式抽筒子和抽筒子軸等。功能部件抽筒子有兩個(gè),呈對(duì)稱分布安裝于抽筒子軸上。對(duì)于單個(gè)杠桿式抽筒子,抽筒子爪用于抓住藥筒底緣執(zhí)行抽筒運(yùn)動(dòng);掛鉤勾住閂體上的掛壁,使炮閂保持開(kāi)閂狀態(tài)。

抽筒系統(tǒng)的平面運(yùn)動(dòng)工作機(jī)理[9]如圖2所示。開(kāi)閂時(shí),閂體向下運(yùn)動(dòng)。閂體掛壁的下端高速撞擊抽筒子的短臂,基于杠桿原理運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)臂便猛烈沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),使抽筒子爪帶動(dòng)藥筒運(yùn)動(dòng)。抽筒后,閂體在關(guān)閉機(jī)彈簧作用下略向上升,又使掛臂將抽筒子鉤住。最后彈丸重新裝填,藥筒底緣推動(dòng)抽筒子脫離閂體,抽筒子和關(guān)閂彈簧推動(dòng)的閂體復(fù)回原位。至此,完成整周期抽筒過(guò)程。

對(duì)于中小口徑火炮中的立楔式炮閂,抽筒過(guò)程中閂體作用于抽筒系統(tǒng)上的“撞擊作用”隨火炮射角的變化而變化,但火炮的閂體質(zhì)量不大使得這種變化對(duì)抽筒系統(tǒng)無(wú)較大影響,可忽略射角因素。

圖1 半自動(dòng)立楔式炮閂Fig.1 Schematics of a semi-automatic vertical wedge breechblock

圖2 抽筒系統(tǒng)的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)理Fig.2 Planar operational principle of the extractor system

2 火炮抽筒系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

基于抽筒系統(tǒng)的工作機(jī)理分析可知,抽筒過(guò)程是掛壁、抽筒子和藥筒的動(dòng)態(tài)連續(xù)接觸碰撞過(guò)程。抽筒阻力的方向與抽筒子中性面平行,且在中轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)限制下,抽筒子強(qiáng)制在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。計(jì)及接觸區(qū)域內(nèi)的局部微小變形,忽略重力場(chǎng)及射角的影響,對(duì)抽筒系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。

如圖3所示,分別以Body1、Body2和Body3表示抽筒系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件,并建立直角參考系OXY表示其平面運(yùn)動(dòng)。其中對(duì)藥筒只考慮在OX方向上的平動(dòng),對(duì)抽筒子只考慮繞原點(diǎn)O的轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)閂體只考慮沿OY方向上的平動(dòng)。此時(shí)抽筒系統(tǒng)只有3個(gè)自由度,利用連續(xù)接觸模型[10-11]即含雙邊約束的運(yùn)動(dòng)微分方程可建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)表達(dá)式:

圖3 抽筒系統(tǒng)的力學(xué)模型Fig.3 Mechanics model of extractor system

式中:q為系統(tǒng)廣義坐標(biāo),其顯式表達(dá)式為為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)。其余各項(xiàng)詳述如下:

(3)其余拉格朗日乘子形式的附加項(xiàng)是由接觸力產(chǎn)生。在抽筒過(guò)程中,抽筒系統(tǒng)功能部件上包含A和B兩個(gè)接觸點(diǎn)。因?yàn)榻佑|點(diǎn)處的切向接觸力方向與抽筒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直,所以可將其忽略而僅考慮法向接觸力,即忽略式中HR和含切向下標(biāo)T的項(xiàng)。建立法向接觸力λN=[λN1,λN2]T分別為:

式中:第二項(xiàng)為描述接觸面剛度特性和阻尼特性的函數(shù)表達(dá)式[12]。其中,α為材料特性的函數(shù);ki為接觸面剛度系數(shù);上標(biāo)βA和βB為局部幾何形狀的函數(shù)因子分別為接觸點(diǎn)的法向變形及其導(dǎo)數(shù)(法向相對(duì)速度)。針對(duì)所建抽筒系統(tǒng)的力學(xué)模型,定義接觸點(diǎn)間的法向滲透距離gN為:

利用接觸點(diǎn)的法向速度、加速度和相對(duì)加速度的計(jì)算模型,以集總式表示抽筒子的約束矢量:

(4)法向接觸的接觸法則[11]建立如下?；诓豢蓾B透性假設(shè),系統(tǒng)兩物體間的接觸存在兩種情況:保持接觸或向分離過(guò)渡。利用許用接觸變形及其集合CN建立抽筒系統(tǒng)中的兩個(gè)接觸點(diǎn)的法向約束表達(dá)式為:

至此,將上述各項(xiàng)代入式(1)并結(jié)合式(5)中的法向約束表達(dá)式,可完整建立抽筒系統(tǒng)功能部件的連續(xù)接觸動(dòng)力學(xué)模型,它能夠描述抽筒過(guò)程中作用在系統(tǒng)上的力與運(yùn)動(dòng)的變化關(guān)系。

3 杠桿式抽筒子的動(dòng)應(yīng)力分布

基于抽筒系統(tǒng)工作機(jī)理和建立的連續(xù)接觸動(dòng)力學(xué)模型可知,杠桿式抽筒子的運(yùn)動(dòng)可歸結(jié)為在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生高強(qiáng)度的加載和卸載過(guò)程。它是沖擊載荷作用下的彈性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,沖擊載荷引起的擾動(dòng)不能立即引起遠(yuǎn)處的響應(yīng),且結(jié)構(gòu)中每一點(diǎn)的響應(yīng)也隨時(shí)間變化,必須用彈性波動(dòng)理論分析其動(dòng)應(yīng)力分布。

杠桿式抽筒子的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示,當(dāng)忽略偏置抽筒子爪時(shí)它為平板含孔結(jié)構(gòu)。在中性面和中心孔處建立參考坐標(biāo)系OXY,則中性面上的平均應(yīng)力[13]和平均位移分別為:

圖4 杠桿式抽筒子的三維及其簡(jiǎn)化平板結(jié)構(gòu)Fig.4 Three-dimensional and flat plate structure of the level-type cartridge extractor

因?yàn)樵诔橥沧舆\(yùn)動(dòng)過(guò)程中,重力場(chǎng)的作用與沖擊載荷的作用相比可忽略不計(jì)。因此在忽略體力及上標(biāo)平均符號(hào)的情況下,采用平均過(guò)程[14]向二維簡(jiǎn)化的波動(dòng)方程(廣義平面應(yīng)力方程):

式中:▽為矢量微分算子符號(hào),u=[ux,uy]T;λ=υE/[(1+υ)(1-2υ)]和μ=E/[2(1+υ)]為抽筒子結(jié)構(gòu)材料的Lame常數(shù),λ′=2λμ/(λ+2μ);E為彈性模量,υ為泊松比,ρ為材料密度。

將式(7)沿直角坐標(biāo)方向轉(zhuǎn)化,可建立抽筒子平板含孔結(jié)構(gòu)在抽筒過(guò)程的控制波動(dòng)方程為:

在直角坐標(biāo)系中建立包含運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角的抽筒子邊界條件[13],其基本思想是利用包含應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件的混合邊界條件,并將彈性輸入沖擊波的初始條件轉(zhuǎn)化為力邊界條件。

(1)抽筒子外形輪廓

此時(shí)邊界條件的核心是在不受面力的各點(diǎn),法向應(yīng)力σN為零。根據(jù)平面任意點(diǎn)p處的外法線N方向余弦mp=cos〈N,x〉sinθ與np=cos〈N,y〉cosθ和該點(diǎn)處的兩項(xiàng)應(yīng)力建立外形輪廓的邊界條件L1:

(2)中心孔型輪廓

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)副的理想約束條件,得出其位移邊界條件為法向位移uN為零,應(yīng)力邊界條件為切向力σT為零;綜合邊界條件L2的表達(dá)式為:

(3)連續(xù)接觸區(qū)域

對(duì)于抽筒子在碰撞過(guò)程“儲(chǔ)存”動(dòng)能和變形能階段,沖擊載荷FN為平板結(jié)構(gòu)端部的彈性拉伸波,將其轉(zhuǎn)化為力邊界條件L3:作用點(diǎn)為(tax,tay),正應(yīng)力方向與彈性波輸入方向相同。利用階躍函數(shù)δ得出其表達(dá)式為:

抽筒阻力Ff對(duì)應(yīng)的彈性壓縮波作用點(diǎn)為(sbx,sby),方向?yàn)镺Y的負(fù)向。包含轉(zhuǎn)角方位n的力邊界條件L4為:

同時(shí),根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型中的位移和速度初始值,可建立抽筒子的初始條件為

至此,基于上述杠桿式抽筒子在抽筒過(guò)程中的彈性波動(dòng)模型、混合邊界和初始條件方程,可定量地推導(dǎo)出抽筒子的動(dòng)應(yīng)力分布,并確定各個(gè)介質(zhì)力學(xué)參數(shù)變化對(duì)動(dòng)應(yīng)力的影響。

4 抽筒系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值計(jì)算和仿真驗(yàn)證

4.1 連續(xù)接觸動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算和實(shí)體仿真

針對(duì)建立的抽筒系統(tǒng)連續(xù)接觸動(dòng)力學(xué)方程,將廣義坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)由差分形式代替,并以牛頓迭代法為基礎(chǔ)在MATLAB中編寫(xiě)計(jì)算程序?qū)υ摲匠踢M(jìn)行數(shù)值求解。給定系統(tǒng)功能部件質(zhì)量參數(shù)為m1= 3 kg,J=175 kg·mm2和m2=7.6 kg,結(jié)構(gòu)參數(shù)為l1=144 mm和l2=84 mm。設(shè)置抽筒過(guò)程總時(shí)間為5.4 ms,將其離散為100個(gè)時(shí)間點(diǎn)。再以藥筒在身管內(nèi)的勻加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律和根據(jù)非線性有限元分析得出的抽筒阻力[15]為已知量,由式(1)建立迭代關(guān)系式并設(shè)置計(jì)算精度為10-5,得出模型中的接觸力。

圖6(a)表示抽筒系統(tǒng)中A點(diǎn)處的接觸力λN1在抽筒過(guò)程中隨時(shí)間變化的規(guī)律,相較于圖5中的抽筒阻力變化規(guī)律,接觸力λN1的變化趨勢(shì)與抽筒阻力的相同,但其數(shù)值較大。原因是當(dāng)指定藥筒的運(yùn)動(dòng)(施加的軸向位移)為勻加速過(guò)程時(shí),接觸力λN1和抽筒阻力的合力是恒力且滿足藥筒的運(yùn)動(dòng)。圖6(b)表示B點(diǎn)處的接觸力λN2隨時(shí)間的變化規(guī)律,它描述了抽筒過(guò)程中的碰撞力變化趨勢(shì)。兩個(gè)接觸力是系統(tǒng)的主要外力且決定了抽筒子的運(yùn)動(dòng),當(dāng)假定藥筒的運(yùn)動(dòng)滿足均勻加速過(guò)程時(shí),可得接觸力λN2雖然與λN1的變化趨勢(shì)差別不大,但是卻呈現(xiàn)出振蕩特性。原因是抽筒過(guò)程中,主動(dòng)短臂段的接觸變形相較于被動(dòng)長(zhǎng)臂段更加劇烈,即接觸區(qū)的壓縮和恢復(fù)2個(gè)階段快速往復(fù)。

圖5 抽筒阻力的變化規(guī)律Fig.5 Extraction resistance varying with time

為驗(yàn)證抽筒系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算的有效性,應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS建立了省略炮閂支撐和復(fù)位結(jié)構(gòu)等部件的抽筒系統(tǒng)實(shí)體仿真模型,如圖7(a)所示。再輸入圖6中的接觸力計(jì)算結(jié)果,以實(shí)體間的接觸碰撞方式進(jìn)行動(dòng)力學(xué)正向仿真。圖7(b)和7(c)給出了藥筒速度和加速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng),其結(jié)果大致符合施加于藥筒上的勻加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),表明所建模型及數(shù)值計(jì)算結(jié)果的合理性和有效性。然而藥筒的加速度響應(yīng)也包含明顯的振蕩現(xiàn)象,其原因是實(shí)體仿真的接觸碰撞區(qū)域不再約束在平面內(nèi),與理論模型的正碰形式不同;平面對(duì)稱形式的兩處接觸變形在壓縮、恢復(fù)階段內(nèi)并不一致,引起剛度激勵(lì)使得作用于藥筒上的合力不是恒定值;當(dāng)抽筒后期接觸區(qū)越來(lái)越趨近于點(diǎn)接觸時(shí),該合力的波動(dòng)也越明顯導(dǎo)致加速度響應(yīng)的振蕩。此外,該振蕩現(xiàn)象也受到數(shù)值計(jì)算和實(shí)體仿真計(jì)算精度的影響,表明理論分析還不完善。

圖6 接觸力的變化規(guī)律Fig.6 Contact forces varying with time

圖7 抽筒系統(tǒng)的實(shí)體仿真模型及藥筒的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.7 Physical model of the extractor system and dynamic response of the cartridge case

通過(guò)上述分析可知,當(dāng)?shù)贸鏊幫苍谏砉軆?nèi)(滿足其拋出所需的臨界分離速度)運(yùn)動(dòng)的抽筒阻力后,基于所建的連續(xù)接觸動(dòng)力學(xué)模型,能夠推導(dǎo)出藥筒以“指定”規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)整個(gè)抽筒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。與現(xiàn)有文獻(xiàn)中僅以實(shí)體模型仿真的處理方式相比,該模型具有理論應(yīng)用價(jià)值,能夠可靠地估算抽筒過(guò)程中閂體的最小撞擊初始速度和接觸碰撞力,對(duì)抽筒系統(tǒng)工作時(shí)物理模型的主要狀態(tài)參量進(jìn)行定量地研究。

4.2 抽筒子動(dòng)應(yīng)力分布的數(shù)值計(jì)算和實(shí)體仿真

限于杠桿式抽筒子實(shí)際輪廓邊界的復(fù)雜性,根據(jù)其波動(dòng)方程求解精確解析表達(dá)式難以實(shí)現(xiàn)。因此,基于時(shí)域有限差分方法[16]將二維波動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為離散節(jié)點(diǎn)處的有限差分形式,再在MATLAB中編寫(xiě)運(yùn)行程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)合抽筒子結(jié)構(gòu)輪廓的數(shù)學(xué)模型得出邊界條件中所需的方向余弦項(xiàng),再以矩形網(wǎng)格對(duì)平面計(jì)算域XOY進(jìn)行剖分,利用炮鋼材料的力學(xué)參數(shù)[4]設(shè)置能夠滿足數(shù)值穩(wěn)定性的空間節(jié)點(diǎn)和步長(zhǎng)分別為ex=480,dx=0.2 mm和ey= 700,dy=0.3 mm;時(shí)間節(jié)點(diǎn)和步長(zhǎng)為k= 1 350,dt=4μs。同時(shí)建立完全匹配形式的吸收邊界條件,它是將計(jì)算域向外擴(kuò)展10個(gè)步長(zhǎng)后,利用吸收層的衰減因子βx=0.17和βy= 0.18將波動(dòng)方程轉(zhuǎn)換為位移和應(yīng)力兩方向分量實(shí)現(xiàn)。由于篇幅限制,在此省略計(jì)算域和吸收層內(nèi)位移及應(yīng)力分量的顯式迭代表達(dá)式,直接給出彈性波動(dòng)方程的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖8 抽筒子輪廓邊界的最大動(dòng)應(yīng)力分布Fig.8 Maximum dynamic stress in the contour boundary of the cartridge extractor

圖8給出了抽筒子輪廓邊界上關(guān)鍵點(diǎn)處的最大動(dòng)應(yīng)力分布結(jié)果,它是以法向方向的數(shù)值直觀表征抽筒子的動(dòng)應(yīng)力標(biāo)量結(jié)果,但應(yīng)力主方向仍在平面內(nèi)。而且,各個(gè)數(shù)值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是在整個(gè)抽筒過(guò)程中動(dòng)應(yīng)力可達(dá)到的最大值,而不是固定時(shí)刻的參數(shù)。在整周期抽筒過(guò)程中,雖然抽筒子的大部分區(qū)域的動(dòng)應(yīng)力都在屈服極限(炮鋼材料980 MPa)以下,但也有部分區(qū)域的動(dòng)應(yīng)力遠(yuǎn)大于屈服極限值,其為動(dòng)應(yīng)力集中的危險(xiǎn)區(qū)域。它們易發(fā)生屈服破壞,或者出現(xiàn)循環(huán)沖擊波作用下的疲勞破壞。

圖9給出了抽筒過(guò)程中邊界點(diǎn)a、b和c的動(dòng)應(yīng)力的變化,可以得出其幅值和波動(dòng)隨時(shí)間變化的總體趨勢(shì)都大致相同,呈現(xiàn)先增大、再減小的走勢(shì),對(duì)應(yīng)彈性沖擊波和壓縮波的變化。a點(diǎn)處的最大極限動(dòng)應(yīng)力為1 320 MPa,超過(guò)屈服極限應(yīng)力的時(shí)間約為2 ms;b點(diǎn)處為1 020 MPa,超出時(shí)間約為1.2 ms,它們附近是動(dòng)應(yīng)力集中較大的區(qū)域。c點(diǎn)處為345 MPa,小于材料的屈服極限,其邊緣是安全區(qū)。

圖9 抽筒子上動(dòng)應(yīng)力幅值的變化規(guī)律Fig.9 Dynamic stress varying with time for the appointed positions in the cartridge extractor

為了驗(yàn)證上述抽筒子動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果的有效性,運(yùn)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行杠桿式抽筒子的實(shí)體仿真。通過(guò)三角網(wǎng)格劃分生成不均勻的計(jì)算模型,并在設(shè)置與數(shù)值計(jì)算相同的邊界和初始條件后,進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算。圖10(a)給出了抽筒周期內(nèi)二維平板結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)應(yīng)力分布云圖,與圖8中的計(jì)算結(jié)果相比,雖然數(shù)值參數(shù)存在一些差異但總體分布趨勢(shì)相似,而且得出的動(dòng)應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū)域基本一致。圖10(b)給出了抽筒子三維結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)應(yīng)力云圖,可以看出除抽筒爪根部以及撞擊根部,其他位置的動(dòng)應(yīng)力分布趨勢(shì)和危險(xiǎn)區(qū)域與二維結(jié)構(gòu)基本一致。

圖10 抽筒子二維和三維結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)應(yīng)力分布Fig.10 Maximum dynamic stress distributions for the two-dimensional and three-dimensional structures of the cartridge extractor

上述結(jié)果表明,將抽筒子簡(jiǎn)化為二維平板結(jié)構(gòu)并應(yīng)用波動(dòng)方程計(jì)算其動(dòng)應(yīng)力分布是近似合理的,然而動(dòng)應(yīng)力分布的差異也表明還需進(jìn)一步完善理論分析模型和數(shù)值計(jì)算過(guò)程。與現(xiàn)有文獻(xiàn)中僅以實(shí)體仿真的分析方式相比,采用該理論模型能夠找出抽筒子工作時(shí)的危險(xiǎn)失效區(qū)域,并對(duì)物理模型的各個(gè)狀態(tài)參量進(jìn)行定量研究。

5 結(jié) 論

(1)建立了火炮立楔式炮閂抽筒系統(tǒng)在抽筒過(guò)程中的連續(xù)接觸動(dòng)力學(xué)模型。利用該模型能夠推導(dǎo)出藥筒在身管內(nèi)以任意規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí),抽筒系統(tǒng)中各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)、內(nèi)碰撞力和抽筒力的變化規(guī)律,為抽筒系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供較真實(shí)的沖擊載荷。

(2)建立了杠桿式抽筒子在抽筒過(guò)程中的彈性波動(dòng)方程、混合邊界和初始條件模型。基于抽筒系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),利用該模型能夠得出抽筒子的動(dòng)應(yīng)力分布和應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū)域,定量地確定各個(gè)介質(zhì)力學(xué)參數(shù)變化對(duì)動(dòng)應(yīng)力分布的影響,為其動(dòng)態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)作鋪墊。

(3)對(duì)抽筒系統(tǒng)實(shí)體模型的定性分析驗(yàn)證了所建模型定量分析及其數(shù)值計(jì)算的合理性和有效性。這不僅可為解決抽筒故障問(wèn)題提供理論依據(jù),也可為炮閂系統(tǒng)和抽筒系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究提供借鑒。

[1] 談樂(lè)斌,張相炎.火炮概論[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2005:378-396.

[2] 侯保林,錢(qián)林方,于子平.大口徑火炮抽筒故障分析[J].彈道學(xué)報(bào),2002,14(2):52-56. Hou Baolin,Qian Linfang,Yu Ziping.Failure analysis for the breech mechanism of a big caliber howitzer[J]. Journal of Ballistics,2002,14(2):52-56.

[3] 傅建平,宋明明,呂世樂(lè),等.火炮抽筒故障機(jī)理研究[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2013,25(4):20-23. Fu Jianping,Song Mingming,LüShile,et al.Research on the fault principle analysis of artillery extraction cartridge[J].Journal of Ordnance Engineering College,2013,25(4):20-23.

[4] 卓曉琪.火炮抽殼系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)彈塑性分析[D].南京:南京理工大學(xué),2002:66-73.

[5] 杜中華,王興貴,馬吉?jiǎng)?基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的某型火炮開(kāi)閂過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,40(6): 123-126. Du Zhonghua,Wang Xinggui,Ma Jisheng.Research on gun’s breech-opening process dynamic characteristics based on prototype technology[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2004,40(6):123-126.

[6] 楊艷峰,鄭堅(jiān),狄長(zhǎng)春,等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的火炮炮閂沖擊試驗(yàn)臺(tái)理論設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)與沖擊,2014,33(15):180-183. Yang Yanfeng,Zheng Jian,Di Changchun,et al.Theoretical design of shock test bed for a gun breech based on virtual prototype technology[J].Journal of Vibration and Shock,2014,33(15):180-183.

[7] 張建,唐文獻(xiàn),徐省省,等.火炮炮閂抽筒子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].兵工學(xué)報(bào),2012,33(6):647-651. Zhang Jian,Tang Wenxian,Xu Xingxing,et al.Structural optimization design for breechblock extractor[J].Acta Armamentarii,2012,33(6):647-651.

[8] Tang Wenxian,Zhang Jian,Zhang Pan.Cartridge-case extracting analysis of some breech mechanism based on flexible body dynamics method[J].Applied Mechanics and Materials,2011,43(10):338-341.

[9] 良青歷.衛(wèi)國(guó)功臣中國(guó)1956年式85毫米加農(nóng)炮[J].現(xiàn)代兵器,2010,7:19-26. Liang Qingli.Patriotic hero:China 1956 type 85mm cannon[J].Modern Weapons,2010,7:19-26.

[10] 洪嘉振.計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1999:67-73.

[11] Schindler T,Acary V.Timestepping schemes for nonsmooth dynamics based on discontinuous Galerkin methods: Definition and outlook[J].Mathematics and Computers in Simulation,2014,95(1):180-199.

[12] Song P,Kraus P,Kumar V,et al.Analysis of rigid-body dynamic models for simulation of systems with frictional contacts[J].Journal of Applied Mechanics,2001,68(1):118-128.

[13] 鮑亦興,毛昭宙.彈性波的衍射與動(dòng)應(yīng)力集中[M].劉殿魁,蘇先誕,譯.北京:科學(xué)出版社,1993:27-41.

[14] 趙嘉喜,劉殿魁,齊輝,等.彎曲波對(duì)含多圓孔薄板的散射與動(dòng)應(yīng)力集中[J].爆炸與沖擊,2008,28(6):552-556. Zhao Jiaxi,Liu Diankui,Qi Hui,et al.Dynamic stress concentration in multi-cutouts-contained thin plates subjected to flexural waves[J].Explosion and Shock Waves,2008,28(6):552-556.

[15] 顧克秋,錢(qián)林方,常秀英,等.大口徑火炮焊接藥筒射擊變形機(jī)理的啟發(fā)式反演[J].爆炸與沖擊,2004,24(6):553-557. Gu Keqiu,Qian Linfang,Chang Xiuying,et al.Heuristic inversion of deforming mechanism in firing of welded steel cartridge case of large caliber cannon[J].Explosion and Shock Waves,2004,24(6):553-557.

[16] Duru K,Kreiss G.A well-posed and discretely stable perfectly matched layer for elastic wave equations in second order formulation[J].Communications in Computational Physics,2012,11(5):1643-1672.

Dynamic characteristics of extractor system in artillery vertical wedge breechblock

Hu Shenghai,Zhang Manhui,Fu Wei,Liu Xiulian
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin150001,Heilongjiang,China)

Aimed at the faults such as cartridge jamming and component dynamic fracture in the extractor system of an artillery vertical wedge breechblock,this paper was focused on transforming the extracting fault analysis to the quantitative study of the system dynamic characteristics based on the nonlinear dynamics theory.The working mechanism of the extractor system was analyzed firstly,and then a continuous contact dynamics model was established for deriving out the motion law of any components and the impact loads quantificationally during the extraction process.Moreover,the elastic wave model of the lever-type extractor was established,which can both describe the dynamic stress distribution and achieve the influences of the mechanical parameters of the extractor by the quantitative form.The numerical calculation of those theoretical models and the simulations of the virtual prototype were both conducted on the ideal extracting condition.The comparison results of the same group show that the quantitative analysis dynamic models are reasonable and effective,which provides a theoretical basis for the solution of the extracting fault and the dynamics optimization of the extractor system.

dynamic characteristics;nonlinear dynamics;continuous contact;elastic wave;extractor system

O389;O313國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0221-08

(責(zé)任編輯 張凌云)

2015-09-17;

:2015-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175099)

胡勝海(1954— ),男,教授,博士生導(dǎo)師;

:張滿慧,zhangmanhui@hrbeu.edu.cn。