大口径火炮座圈整体结构动态响应研究

刘朋科,史婉荣,郭新喜,高小科

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.西北工业集团有限公司，陕西 西安 710043)

大口径火炮座圈是回转装置的主要组成部分，其作用主要是：支撑并赋予回转部分回转的可能，使回转部分回转轻便；承受射击时炮架上传递的载荷，使炮架保持平衡。座圈结构在射击载荷作用过程中的动态响应是火炮设计的重要组成部分。传统的座圈设计主要是控制接触应力和局部塑性变形，对滚珠的强度采用增大安全系数的方法予以保证，并假设滚道是绝对刚性的，载荷不引起滚道的弯曲变形，只在接触区局部发生弹性变形[1]。传统计算不能得到座圈结构的整体变形，座圈受力的简化也不符合结构的实际受力状态。在滚珠与滚道的接触问题上，经典弹性力学只能给出滚珠的局部应力[2]，不能给出滚珠和滚道的应力和变形的具体分布。笔者针对传统座圈强度计算的不足，对某大口径自行迫榴炮座圈万能式结构建立了由炮塔、托架、上下座圈及全部滚珠组成的座圈整体刚柔耦合有限元分析模型，进行了座圈结构的动态仿真计算，获得了座圈结构射击载荷下的动态变形和应力分布，对座圈结构设计和方案选择具有一定指导意义。

1 座圈整体刚柔耦合模型

建立的座圈整体刚柔耦合面对称模型如图1所示。为了更真实反映座圈结构的受力和炮塔载荷传递特点，建立的整体刚柔耦合模型中不仅包含上下座圈，还包含炮塔、托架和滚珠。计算时将耳轴支反力直接施加在托架的耳轴孔位置(见图2)，保证了载荷通过耳轴-托架-炮塔-上座圈-滚珠-下座圈的正确传递路径，避免了人为载荷和约束简化对结构响应的影响。模型假定炮塔水平、火炮回转部分左右对称、座圈模型和受力具有对称性，因此在建立刚柔耦合模型时取座圈和炮塔的一半进行分析，使得求解规模大大缩小。另外，假定滚珠为刚体，可在滚道中自由运动，既保证了模型能够收敛，又显著提高了求解效率。

根据实际结构受力及工作状态，模型约束为：

1)每个滚珠与上、下座圈的滚道和相邻滚珠之间建立接触关系。

2)固定下座圈与底盘连接面，将上座圈与炮塔及托架合为一体。

3)模型的对称面上施加面对称约束。

计算模型的实际结构在火炮射击时受到的主要载荷有起落部分(由摇架和后坐部分组成)重力和后坐阻力，后坐阻力作用于耳轴中心。载荷施加如图2所示。动态计算载荷的变化曲线如图3所示。整体结构为某合金材料，材料参数取弹性模量E=70 GPa，泊松比μ=0.33，屈服极限σs=325 GPa。

2 动态变形和应力计算

应用ABAQUS软件，采用动态显式积分和动态罚函数接触法对座圈整体刚柔耦合模型进行求解[3]。由于将滚珠视为刚体，使得滚珠在受力过程中不产生变形，座圈与滚珠的接触面积减小，接触点最大应力达481 MPa，超过了材料的屈服极限，如图4所示。上、下座圈的最大分开距离如图5所示。当方位和高低射角为0°时，上下座圈最前沿在射击载荷作用下变形后的最大距离小于滚珠直径，所以射击载荷不至于使滚珠从滚道间漏出。

3 座圈结构强度评判

将滚珠假定为刚体后，上下座圈与滚珠接触局部区域应力超过了材料的屈服极限。为了深入分析滚珠假定为刚体对座圈应力的影响，建立了1个模拟滚珠和座圈接触的简化模型，并对该模型中滚珠分别取不同材料进行了相同边界条件和加载方式下的计算，比较了滚珠和模拟座圈的应力随滚珠材料弹性模量、密度和泊松比的变化规律[4]。建立的简化模型如图6所示，模型中滚珠直径和模拟座圈的凹坑直径与真实模型一致。计算时在模拟上座圈上表面施加最大幅值为0.5 MPa的压力载荷。

图7～图9给出了滚珠的材料参数对上、下座圈和滚珠应力的影响，从计算结果可以看出：

1)滚珠材料的弹性模量对应力的结果影响较大，即滚珠和上、下座圈的应力随滚珠弹性模量的增大而增大。

2)上、下座圈的应力随滚珠材料密度的增大而缓慢下降。

3)滚珠材料的泊松比对滚珠和上、下座圈的应力几乎没有影响。

比较滚珠为刚体和弹性体时座圈应力可知：

1)滚珠为刚体时座圈上的局部应力远大于滚珠为弹性体的情况，滚珠为刚体和弹性体时，座圈的最大应力分别为330 MPa和198 MPa，两者的比为1.67，以此值为修正，则座圈整体刚柔耦合模型上实际座圈的应力为288 MPa满足强度要求。

2)刚柔耦合模型的求解效率显著提升，滚珠为刚体模型求解时间只为弹性体时的0.3～0.4倍[5]。

4 结 论

通过对某大口径火炮座圈整体结构刚柔耦合模型的计算，获得了结构在射击载荷作用下的应力和变形。模型中将滚珠假定为刚体不仅提高了求解效率，更重要的是解决了多滚珠与座圈动态接触求解的收敛问题。针对刚柔耦合模型计算结果中局部应力较大问题，通过简化模型分析了滚珠材料参数对结构局部应力的影响，得到了滚珠材料参数对局部应力的影响规律。本文的计算过程和结果对同类问题的分析具有一定的借鉴意义，通过本文的研究可以得出如下结论：

1)刚柔耦合模型能够解决滚珠和座圈接触时全弹性体模型难以收敛问题，能弥补传统火炮设计不能得到座圈结构整体变形和应力分布的不足，并能显著提高求解效率。

2)为了降低座圈受力，在选择滚珠材料时宜选择弹性模量较小的材料。

3)采用将炮塔、托架、座圈和滚珠一起建模的方式，能更准确反映火炮射击时载荷传递和座圈受力，避免了人为简化对结构响应的影响。

4)修正后的结果表明座圈结构满足强度要求，最大变形也不会使滚珠发生脱落。同时，该火炮实弹射击试验也证明座圈及滚珠的强度和变形没有问题，验证了计算模型的准确性。

参考文献(References)

[1] 王靖军，赫信鹏.火炮概论[M].北京:兵器工业出版社，1992:217-236.

WANG Jing-jun, HE Xin-peng. Conspectus of gun[M].Beijing:The Publishing House of Ordnance Industry, 1992: 217-236.(in Chinese)

[2] 吴家龙.弹性力学[M].上海：同济大学出版社，1987：329-339.

WU Jia-long. Mechanics of elasticity[M].Shanghai: Tongji University Press, 1987：329-339. (in Chinese)

[3] 王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003：443-481.

WANG Xu-cheng. Finite element method[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2003：443-481. (in Chinese)

[4] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社，2007：226-276.

SHI Yi-ping, ZHOU Yu-rong. The example annotation for ABAQUS Finite element analysis[M].Beijing: China Machine Press, 2007：226-276. (in Chinese)

[5] 曹金凤，石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答[M].北京:机械工业出版社，2009：55-62.

CAO Jin-feng, SHI Yi-ping .The common problem solution for ABAQUS Finite element analysis[M]. Beijing: China Machine Press, 2009：55-62. (in Chinese)