闭锁间隙对回转闭锁接触应力影响数值仿真分析

徐家凡，何 玲 ，王永娟

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

1 工作原理

自动武器闭锁机构是在武器发射时从身管尾端面关闭弹膛，承受火药燃气压力并防止后逸的机构；对于发射有壳枪弹的闭锁机构还起抵住弹壳，防止弹壳断裂的作用[1]。某自动武器自动机采用导气式机头回转刚性闭锁机构方式。在闭锁阶段，机头旋转一定角度，使机头和节套上对应的3个螺旋面即闭锁面相互紧贴，实现刚性闭锁，接触面见图1涂黑部分。子弹发射时，枪膛内的火药燃气压力大，并且变化迅速，作用在机头头部弹底窝处，使闭锁面承受很大的动载荷，在闭锁面上产生较大的接触应力。既要考虑机头与节套之间闭锁面的接触碰撞，又要考虑应力波的传播[2-3]。

考虑闭锁面之间可能存在闭锁间隙[4]，又使得闭锁面上的接触应力值波动加剧。本文着重分析由闭锁间隙带来的应力值及其变化情况，以期能直观地得到应力值波动的规律，为闭锁机构强度设计和工作特性分析提供一定依据。

2 有限元模型

模型假设：

1)机头和节套采用线弹性材料模型。

2)考虑闭锁面之间可能存在闭锁间隙，等间断地从0～0.1 mm取11组闭锁间隙。

3)在发射时自动武器刚性固定，即约束节套固联部位全部自由度，机头凸起侧面施加轴向转动约束(见图2)。

4)弹壳在发射时不横断，即火药气体作用力通过弹壳底部作用到机头弹底窝上。

(1)

(2)

(3)

并且:

(4)

式(4)表明切向相对滑动速度和作用于从接触点的摩擦力的方向相反，摩擦力起着阻止相对滑动的作用。为了简便起见，通常假设μs=μd=μ，即不区别静、动摩擦因数。取摩擦因数为0.1[3]。

表1 材料参数

3 计算结果和分析

3.1 接触应力最大值分析

无闭锁间隙时，机头和节套最大等效应力云图如图4，机头最大等效应力出现在3号面圆角部分的表层节点A处，面的标号如图1所示。节套最大等效应力出现在3号面表层节点B处，靠近机头节点A处圆角。A、B两点应力值在0.74 ms达到最大，基本趋势与膛压曲线一致。一对接触面上的应力变化规律相似，故对机头接触面应力分析即可。从结构来看，3号面附近机头体开有拉壳钩安装槽而使得圆角线在开槽处断开变短并导致应力集中。

有闭锁间隙时，机头最大等效应力曲线如图5所示，随着间隙的增加，碰撞导致应力值波动增大，最大等效应力出现的时间随间隙增大有变早的趋势；无间隙时，出现在0.74 ms；间隙为0.05 mm时，出现在0.67 ms；间隙为0.10 ms，出现在0.49 ms。当间隙增加到一定值时碰撞的次数增加：当间隙在[0.01，0.08] mm时，发生两次碰撞；当间隙在[0.08，0.1] mm时，发生3次碰撞。发生多次撞击的原因是，撞击时枪机随间隙增大，获得较大速度和动能，见图7(下)不同间隙下枪机最大速度图；在间隙为0.1 mm时，其最大速度高达2 m/s，而被碰件固联部位的全部自由度被约束，即建立模型时假设的第3条：发射时自动武器刚性固定。这种碰撞条件下，大的撞击能量造成撞击分离，待发生多次撞击后，枪机能量损耗至足够小时，才和节套撞击结合。不同间隙下，最大等效应力的走势如图6，机头上最大等效应力在3号面圆角处最为明显，且A点等效应力一直最大，随间隙增长呈现出一定的递增规律；节套上最大等效应力分散在3个面，最大等效应力出现在不同节点上，应力值的增长随间隙的增大发生了一些波动，但总趋势还是增大。当间隙为0.1 mm时，机头最大等效应力增至1 226 MPa，和无间隙情况相比，应力增长45%。在间隙[0，0.1] mm下，机头和节套最大等效应力都没有超过屈服极限。

3.2 接触应力值波动分析

随着闭锁间隙增加，机头A节点等效应力值波动变大并难以在短时间内平缓下来。为了便于分析接触面应力值波动情况，本文给出如下定义：

1)若机头和节套为刚性体，在无间隙下，将某面接触面压强称为该面的刚性接触面压强。

2)认为机头和节套为弹性体，某接触面瞬时法向反力与该面瞬时接触面积之比为该面接触面压强。

3)相同载荷下，某面接触面压强与其刚性接触面压强之差为接触面压强波幅。

4)相同载荷下，接触面压强与刚性接触面压强之比为接触面压强波动系数。

采用接触面压强波幅来等效接触应力的平均波幅，如图7(上)所示。从波幅曲线可以看出，第1次接触碰撞产生的接触应力值波幅最大，以后波幅逐渐变小。第1次接触应力脉宽随间隙增大略有变小的趋势：间隙为0时，脉宽为0.09 ms； 间隙为0.05时，脉宽为0.07 ms； 间隙为0.10 mm时，脉宽为0.075 ms。这是因为有间隙时撞击速度越大，脉冲峰值越大，脉宽越窄。不同间隙下，平均波幅的最大峰值的走势图和第1次接触碰撞时机头速度如图7(下)所示。可知，第1次接触碰撞产生的接触应力值波幅随间隙增大而增大，其波幅与接触碰撞时机头的速度大小成一定线性相关性。

无论有无闭锁间隙，接触应力在刚开始接触碰撞时有明显的波动，见图5。此时载荷呈现短历时突变的特征，产生明显的应力波，应力波很快从枪机闭锁接触面传至枪机体细长小截面上，由于截面差比较大，小截面内的应力波只有很小一部分再传回大截面，小截面起到“捕波器”[7]的作用，故接触面处可忽略反射波的影响。当接触面不再发生碰撞分离而撞击结合后，此时载荷增长的时间比撞击载荷作用的时间长，载荷不再呈现短历时突变的特征，枪机体细长小截面内难以观察到应力波传播现象，接触面上动态响应主要表现为接触面变形和变动，导致接触不均，从而引起接触面上应力值波动。枪机接触面面积的变化如图8所示。

采用接触面压强波动系数能清晰反映各个接触面受力均衡情况，机头各个面接触面压强波动系数如图9所示。其中波动系数为0表示接触面分离，[0，1]表示应力值波幅为负，1表示应力值波幅为0，大于1表示应力值波幅为正。波动系数最终的趋值与1的差值大小反映了该面受力不均衡程度。通过图9可以看出，1、3号面受力最不均衡，1号面受力偏小，3号面受力偏大。由于闭锁时，机头、节套发生变形，使各面有效支撑面面积变动，导致接触面受力不均，因此各面的波动系数曲线不同。

结合应力值波动情况可以分析最大接触应力出现时刻：接触碰撞初期，应力值波幅最大，但此时膛压较小，接触应力值较小；随后，应力值波幅衰减，但膛压上升，接触应力值变大，在某次波幅峰值达到时，接触应力达到最大，此时刻可能出现在膛压最大值之前。并且，随着间隙的增大，应力最大值有变早出现的趋势。

4 结 论

数值计算表明，闭锁间隙对闭锁面最大接触应力的影响如下：

1)无间隙时，机头和节套等效应力变化规律与膛压曲线相近，应力值均在膛压最大值时刻附近达到最大。

2)有间隙时，当间隙增大到一定时，发生多次碰撞。随着间隙的增加，机头和节套上最大应力随间隙增大呈上升趋势且应力最大值有变早出现的趋势。

闭锁间隙对闭锁面接触应力值波动的影响如下：

1)随着间隙的增大，接触应力值平均波幅越大。第1次撞击带来的平均波幅最大，以后波幅逐渐减小。

2)引起接触面上应力值波动的原因：①碰撞产生的应力波，可忽略反射波；②碰撞后机头反弹，接触面分离；③当接触面不再发生碰撞分离而撞击结合后，原因为接触面变形和变动导致接触不均。

3)不同面的应力值波动情况不同，机头3号面受力最不均衡。

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