李涌，吴宝双

（1.海军驻郑州地区军事代表室，郑州450015；2.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州450015）

协同仿真技术某转管武器炮闩小闭锁齿疲劳寿命预测*

李涌1，吴宝双2

（1.海军驻郑州地区军事代表室，郑州450015；2.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州450015）

以试验中某转管武器炮闩小闭锁齿出现疲劳断裂为依据，从定性的角度分析了可能造成疲劳破坏的力源是小闭锁齿承受的切向力和径向力。通过理论计算，炮闩在开闭锁时高速旋转形成的离心力（属径向力）较小，忽略不计，故切向力和径向力只能是炮闩在供输弹过程中与弹碰撞产生。基于ADAMS建立供输弹系统动力学仿真样机，得到切向力和径向力的载荷谱，基于ABAQUS仿真得到闭锁齿的静强度结果，同时建立45CrNiMoVA材料的S-N疲劳寿命曲线，最后由Designlife进行协同仿真预测了小闭锁齿的疲劳寿命，该协同仿真技术对工程分析具有一定的参考价值。

协同仿真，闭锁齿，载荷谱，S-N曲线，静强度

0 引言

转管武器主要利用其高射速、高密集度、高可靠性参与现代空战及近程防空反导。某转管武器炮闩闩体小闭锁齿在供输弹过程中主要对弹体起到辅助定位作用，却在射击试验时频频出现疲劳断裂现象，导致射击循环无法正常进行，严重影响转管武器战斗力的充分发挥。

在射击循环过程中，炮闩在星形体和炮尾中运动，试验人员难以直接观察和测量冲击载荷。传统的测试和计算方法难以直接用于炮闩失效分析，依据经验判断不够准确。因此，如何进行理论分析及运用科学的仿真手段来解释小闭锁齿的断裂及预测其疲劳寿命，为炮闩的结构改进提供理论参考。

文献［1］对冲击载荷作用下抽筒子疲劳寿命进行了预测，基于协调仿真得到载荷谱及危险部位应力谱，利用材料的S-N规律说明武器关重件疲劳分析的一般流程。文献［2］对自行火炮行动系统扭力轴进行了疲劳仿真，运用MM（Modified Miner）法则和EM（Elemental Miner）法则对材料疲劳特性进行修正，对比得出MM法则对疲劳曲线的编辑更为合理。但上述研究均没有涉及关重件运动特性的理论分析，忽略了自身惯性力对疲劳寿命的影响，本文对试验中炮闩断裂原因及受力情况进行了理论计算，而后用仿真技术预测使用寿命。

1 炮闩疲劳断裂分析

1.1 小闭锁齿损坏的力源分析

根据闩体小闭锁齿出现裂纹及断裂的位置，寻找引起闭锁齿产生裂纹损坏的力源，按小闭锁齿受轴向、径向和切向作用力3种情况进行有限元分析。分别假设小闭锁齿内面承受一沿径向向外的力载荷、小闭锁齿承受一沿轴向的载荷和小闭锁齿侧面承受切向方向的载荷单独作用，受力（所述载荷均为1N）及分析结果如图1所示。

图1 小闭锁齿受力及云图

从有限元分析得到小闭锁齿的应力结果与小闭锁齿断裂位置比较得出，小闭锁齿在承受以上3种力定性分析时，最有可能引起疲劳断裂的是径向力和切向力的作用。

1.2 小闭锁齿疲劳断裂受力原因分析

根据闩体小闭锁齿的结构功能及受力情况分析，可能引起小闭锁齿承受径向及切向载荷的原因有以下两种因素：①闩体高速开闩、闭锁时高速旋转的离心力；②高速供输弹时弹与小闭锁齿的瞬间碰撞力。

（1）开闩、闭锁时闩体高速旋转形成离心力，闩体一方面随炮身高速旋转，一方面与闭锁器及开锁器碰撞开闭锁时自身产生高速旋转，假设转管自动机为6管且最大射速为4 800发/min，则炮身旋转角速度：

闩体闭锁时按完全非弹性碰撞考虑，炮身以ω0角速度旋转，闩体与闭锁块碰撞后沿M点与闭锁器贴合运动，其运动示意如图2所示，设闩体旋转角速度为，炮身旋转为牵连运动，则闩体转动角度表示如下：

在闭锁瞬间，即θ=0时代入上式，闩体角速度ω1最大值为：

同理，在开锁时闩体角度表示如下：

在开锁瞬间，即θ=0时代入上式，闩体角速度ω2最大值为：

注1：其中θ=ω2，L1=74.4 mm，r0=57.8 mm，L2=41.2 mm；

由于闩体在闭锁与开锁过程中炮身同时在高速旋转，闩体本身也在高速运动，因此，闩体闭锁齿的离心力是两个角速度的合成。按最极限情况考虑，假设闩体闭锁齿相对炮身旋转中心的最大角速度：

已知小闭锁齿的质量为8 g，公转半径为90mm，则所形成的离心力：

由分析可知，闭锁齿高速旋转形成的离心力很小，不会对闭锁齿产生破坏，故闭锁齿破坏原因只可能是弹与闩体的碰撞力在径向和切向的分力所致。

图2 炮闩开闭锁装配示意图

2 疲劳载荷谱的获取

2.1 虚拟样机的建立

为了能准确地模拟炮闩工作时的载荷谱，将所需的实体模型导入到ADAMS中，建立炮闩供输弹系统的虚拟样机如图3所示［3］。

图3 供输弹系统虚拟样机模型

在虚拟样机中添加零部件的固有属性、约束、运动关系副及驱动等。进行动力学仿真，将仿真结果与已知数据对比，验证样机仿真的准确性，不断进行修正和完善，直至误差在允许范围内。

2.2 虚拟样机的校核

为了验证虚拟样机的准确性，将仿真结果与试验数据进行对比，从定性和定量两个方面验证虚拟样机结果与试验数据的一致性［4］。定性校核包括：①观察虚拟样机射击循环动作顺序及方式是否与实装一致；②运动学和动力学仿真结果是否符合实际运动规律。定量校核包括将星形体的角速度、后坐位移和后坐速度与试验数据进行对比，控制误差在允许范围内，如图4，图5所示。

选取图4，图5中星形体角速度、后坐位移和后坐速度曲线中数值的最大值与试验数据比较如表1所示。

已知该转管武器为6管小口径炮，故星形体角速度经转化后等于转管武器的理论射速4 500发/min，经分析星形体的角速度、后坐位移和后坐速度与试验值间的相对误差均在5%范围内，可以反映样机仿真的准确性，能够满足工程分析的需要。

图4 导气室作用力与星形体角速度曲线

图5 星形体后坐位移和速度曲线

表1 仿真数据与试验数据对比

2.3 载荷谱的获取

小闭锁齿在供输弹过程中承受弹体对它的切向力和径向力是造成疲劳破坏的主要力源，故通过虚拟样机仿真得到切向力和径向力的载荷谱如下页图6所示。

3 有限元静强度分析

运用ABAQUS/Standard进行静强度分析，将小闭锁齿的切向力及径向力的受力面分别耦合到一点，在该点上分别施加切向和径向方向的单位载荷，得到的静应力结果如图7所示，切向和径向的静应力大小分别为0.2008 Mpa和0.2794 Mpa。

4 疲劳寿命分析

4.1 材料的S-N曲线

45CrNiMoVA钢在90%存活率下疲劳性能的相关参数见表2［5］，对疲劳极限以下的载荷应用MM法则（Modified Miner Rule，简称MM法则）进行修正，得到材料的S-N曲线。

图6 动力学仿真载荷谱

图7 切向和径向受力时的云图

表245 CrNiMoVA钢在95%存活率下疲劳性能参数

YS-屈服极限；UTS-拉伸极限；E-弹性模量；v-泊松比；SRI1-循环次数为1时的应力幅；b1-S-N曲线第一阶段的斜率；Nc1-S-N曲线拐点处的循环次数；b2-S-N曲线第二阶段的斜率。

根据表中数据可以在Designlife的材料管理器中添加材料的S-N疲劳寿命曲线，如图8所示。

图845 CrNiMoVA钢S-N曲线

4.2 疲劳寿命分析

在UG中建立炮闩的三维实体模型，基于ADAMS建立转管武器的虚拟样机进行动力学仿真，得到.DAC数据文件的载荷谱，基于ABAQUS对炮闩闭锁齿进行静强度有限元分析，得到.ODB格式结果文件，将上述两种结果文件导入到Designlife疲劳分析软件，已知45CrNiMoVA钢的S-N曲线，应用Miner线性累积损伤准则进行损伤累积［6］，预测小闭锁齿在切向力和径向力单独作用下的疲劳寿命如图9所示。

图9 小闭锁齿寿命云图

在切向力载荷谱和径向力载荷谱作用下，由Designlife仿真得到小闭锁齿疲劳寿命分别为9 871和6 641次，已知小闭锁齿在试验中经过7 300次循环断裂，相对于最小寿命误差为9.0%。说明本文建立的样机模型可以用于预测小闭锁齿的疲劳寿命。

5 结束语

不规则零部件的疲劳寿命预测是传统方法难以解决的，本文采用先进地疲劳寿命分析软件Designlife，结合ADAMS、ABAQUS等动力学和有限元分析软件协同仿真，较为准确地预测了炮闩小闭锁齿在供输弹过程中，承受切向和径向冲击力作用下的疲劳寿命，为深入开展冲击载荷作用下机械零部件疲劳寿命预测提供了一种有效的技术途径，在工程分析上具有一定参考的价值。

［1］胡慧斌，候晓锋，曹立军，等.冲击载荷作用下抽筒子疲劳寿命预测与试验验证［J］.火炮发射与控制学报，2014，35（3）：68-73.

［2］易当祥，刘春和，吕国志，等.自行火炮行动系统关重件的疲劳寿命仿真［J］.兵工学报，2007，28（2）：138-143.

［3］高镇同，熊峻江.疲劳可靠性［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2000.

［4］郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［5］《机械工程材料性能数据手册》编委会.机械工程材料性能数据手册［M］.北京：机械工业出版社，1994.

［6］张安哥，朱成九，陈梦成.疲劳、断裂与损伤[M].成都：西南交通大学出版社，2005.

［7］邢宏光，杨振军，王国辉.基于ADAMS的某型炮闩故障仿真分析方法研究[J].四川兵工学报，2014,33（6）：25-28.

Based on Collaborative Simulation Technology Weapons of a Revolving Barrel Gun Bolt Locking Teech Fatigue Life Prediction

LI Yong1，WU Bao-shuang2
（1.Military Representative Office of Navy Stationed in Zhengzhou，Zhengzhou 450015，China；2.The 713 Research Institute，CSIC，Zhengzhou 450015，China）

Taking experiment a revolution of tube weapon breechblock small locking teeth to appear the endurance failure as the basis，from the perspective of qualitative analysis of the source may cause fatigue failure of the small locking teeth is bear tangential force and radial force.Through the theoretical calculation，breechblock in the opened and closed lock，high-speed rotation of the centrifugal force（belong the radial force）is smaller to Ignored,therefore the tangential force and the radial force only can be the breech block in supply to lose in the projectile process to produce with the projectile collision Based on ADAMS for Ramming build a prototype system dynamics simulation，obtains the tangential force and the radial force load spectrum,based on ABAQUS emulation obtain locking teeth of the Hydrostatic Strength results，while building material S-N 45CrNiMoVA fatigue life curve，finally carried on the coordination simulation by Designlife to forecast the fatigue life of small locking teeth，the collaborative simulation technology to the engineering analysis of a certain reference value.

collaborative simulation，locking teeth，load spectrum，S-N curve，static strength

TJ301；TJ391

A

1002-0640（2015）12-0141-04

2014-12-03

2015-02-08

国家自然科学基金（51175481）；国防基础科研基金资助项目（A0820132003）

李涌（1982-），男，河南商丘人，硕士。研究方向：图像处理。