基于ABAQUS的凸轮式抽筒子结构优化分析

廖 辉,姜黎明,王 刚,任 琳,魏松波

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051;2.重庆长风机器有限责任公司，重庆 402264)

基于ABAQUS的凸轮式抽筒子结构优化分析

廖 辉1,姜黎明2,王 刚1,任 琳1,魏松波1

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051;2.重庆长风机器有限责任公司，重庆 402264)

抽筒子是火炮进行抽筒的关键部件，其可靠性直接影响火炮的持续战斗力。为降低抽筒子的应力峰值，利用ABAQUS软件的优化模块，对凸轮式抽筒子进行拓扑优化和形状优化，并将优化后的抽筒子导入ABAQUS中进行瞬态动力学仿真，对比优化前后抽筒子工作情况。结果表明，经过两轮优化后，抽筒子最大应力下降了31.2%，变形增大了11.2%，质量减小了13.5%，最大抽筒速度下降了3.13%。优化后模型的抽筒特性改变很小，抽筒子应力均下降到安全范围内，其工作可靠性有所提高，抽筒子的优化分析对类似结构设计有一定的参考价值。

弹塑性力学；抽筒子；结构优化；有限元分析

凸轮式抽筒机构是指在开闩过程中，利用闩体定形槽迫使抽筒子转动进行抽壳的结构。与杠杆式抽筒结构相比，该结构具有抽筒平稳、工作可靠等优点。由于抽筒子在运动过程中，需要承受多种形式的动态载荷，有可能导致抽筒子的塑性变形或失效，所以应该对其结构进行优化设计，以提高工作的可靠性。

随着计算机仿真技术的发展，目前已经普遍采用计算机辅助工程对火炮抽筒过程进行分析，但是对凸轮式抽筒子的结构优化所做的分析却很少。曾志银等[1]利用ANSYS对二维抽筒模型进行仿真分析，得到了抽筒力与膛压、身管材料之间的关系。张金忠等[2]基于ANSYS-WORKBENCH，对坦克炮三维抽筒子模型进行静态分析，探究抽筒出现常见故障的原因。康艳翔等[3]采用MSC.Dytran对抽筒过程进行了瞬态分析，并将仿真结果与理论计算进行对比。徐耀春[4]采用ABAQUS对舰炮抽壳过程进行非线性结构动力学分析，并考虑了磨损对机构运动的影响。张建等[5]利用HyperWorks对撞击式抽筒子进行优化，降低了抽筒子的应力峰值。

大型有限元软件ABAQUS不仅拥有很强的非线性分析能力，也可以对零件件的拓扑结构、外形进行优化分析。将优化分析得到的结果经过圆整后，再导入ABAQUS瞬态动力学模型中进行校验，即可完成对抽筒子的结构优化分析。

1 抽筒过程概述

火炮的抽筒机构由身管、炮尾、闩体、左右抽筒子等组成，其结构简图如图1所示。

闩体可以向下运动开闩。抽筒子的内耳在闩体定形槽内滑动，抽筒子外耳轴可以在炮尾定形孔内滑动。抽筒子爪扣住药筒底缘，抽筒子肚顶在身管尾端面上。炮尾复进过程中闩体向下开闩，抽筒子在闩体定位槽和炮尾定位孔的共同作用下回转，并用传速比逐步增大的方法，达到由慢到快的平稳抽筒效果[6]。整个抽筒时间约80 ms，相对于撞击杠杆式抽筒子而言，其工作载荷比较平缓。

2 抽筒力计算

炮弹发射后，药筒塑性变形与身管产生过盈接触，药筒与身管的摩擦力是抽筒力的主要来源。建立药筒与身管的轴对称模型用于计算抽筒力,药筒材料应力应变曲线如图2所示。身管材料为炮钢，屈服极限980 MPa；利用经典内弹道方法计算得到膛压变化曲线，并施加在药筒内表面；建立两个瞬态动力学分析步，分别用于模拟药筒变形和抽筒。仿真得到抽筒力峰值97 374 N，由于药筒锥度较小，药筒位移约35 mm后抽筒力才下降到0，如图3所示。

3 结构优化

为优化抽筒子结构，先进行瞬态动力学仿真，将得到的抽筒子动态载荷转换为静态载荷，再把静态力学模型导入优化模块进行拓扑优化和形状优化。

3.1 抽筒子的动态与静态模型计算

在ABAQUS/CAE 中建立后坐部分的瞬态动力学分析模型，考虑结构对称性，取原有模型的1/2进行分析。采用以位移为自变量的非线性弹性连接单元来模拟药筒与身管间的作用力；并对复进部分施加实际测量得到的复进速度载荷。模型部件采用通用接触，摩擦因数为0.1。建立好后的有限元模型如图4所示。

为加快优化效率，根据上面的瞬态动力学仿真结果，将动态接触载荷转换为抽筒子模型上相应的静态载荷和边界条件，建立关于抽筒子的静态力学分析模型。模型材料的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。以瞬态模型仿真结果为参考，考虑一定的余量，最终确定在抽筒子爪上施加力载荷50 kN用于模拟瞬态模型中单个抽筒子受到的最大抽筒力。在抽筒子肚表面与参考点添加耦合约束，并约束该参考点上的位移自由度。在抽筒子内耳轴与闩体定形槽接触部位、外耳轴与炮尾定位孔接触部位分别添加位移约束。建立好的抽筒子静态模型如图5所示。

该抽筒子静态模型最大等效应力如图6所示。

由该图可知，抽筒子上有3个区域的应力超过了材料的屈服极限，分别是：

1)内耳轴与闩体接触区域。

2)抽筒子肚与身管尾端接触区域。

3)抽筒子爪与抽筒子过渡区域。

最大应力为7 351号节点，大小为1 407 MPa，该节点所在区域即为抽筒子最容易失效部位。抽筒子的最大变形位移为0.661 3 mm，抽筒子质量为1.141 kg。

3.2 抽筒子拓扑优化

ABAQUS的拓扑优化支持基于敏度和基于刚度的算法，基于敏度的算法拥有更高的灵活性，而基于刚度的算法在合适的应用范围内有更高的效率。软件通过将单元的质量和刚度充分变小而不再参与整体结构响应[7]。

对抽筒子的优化分析采用基于刚度的算法，创建拓扑优化模型为：最小化应变能的目标函数；减小体积20%的约束；拔模等几何约束。

抽筒子模型经过拓扑优化的结果如图7所示，该图显示了抽筒子在工作中的最佳传力路径。将该结果模型导入三维建模软件UG中，参考文献[5]对结果模型进行圆整。圆整后模型再次进行静态分析，施加的载荷与边界条件与原始模型完全一致，得到的等效应力云图如图8所示，其最大应力值为1 273.6 MPa，原有3个应力集中部位的应力值都有所减小，最大变形位移0.739 mm，质量为 0.985 kg。优化后的抽筒子强度提高了9.48%，变形增大了11.75%，质量减少了13.67%。

3.3 抽筒子形状优化

通常在进行了拓扑优化后再进行形状优化，形状优化采用与基于刚度的拓扑优化类似的算法，通过改变表面节点位置以减少局部应力集中[8]。ABAQUS还能够对内部的单元进行光顺，避免形状优化导致的单元畸变(只能对四面体、四边形和三角形单元进行处理)，默认系统采用强制拉普拉斯网格光顺算法。

创建的抽筒子形状优化模型为：最小化应力峰值的目标函数；体积不变的约束；拔模等几何约束。

将圆整后的拓扑优化结果模型进行形状优化，得到的抽筒子应力云图如图9所示。形状优化主要针对抽筒子内耳轴进行，优化后内耳轴与闩体定形槽的接触面积增加，内耳轴应力下降，最大应力出现在抽筒子爪上。抽筒子最大应力为 968.3 MPa，最大位移为0.735 5 mm，优化后的质量为0.987 kg。相对于原始模型，抽筒子强度提高了31.18%，变形增大了11.22%，质量减小了13.50%。

表1给出了经过拓扑和形状优化后，抽筒子上3个应力集中区域的最大等效应力变化情况。由表可知，形状优化有效减小了应力集中区域的应力峰值，其中区域1上最大应力下降了38.02%，区域2最大应力下降了13.51%，区域3最大应力下降了24.58%。经过两轮优化后，抽筒子上所有区域应力值均下降到了材料的屈服极限以下。

表1 优化前后抽筒子应力极值对比 MPa

4 动态模型校核

为校核优化后的抽筒子在实际工况下的运动特性，将优化后的抽筒子模型重新导入ABAQUS瞬态动力学模型，替换原有抽筒子模型进行仿真分析。优化前后抽筒子模型的抽筒速度曲线如图10所示。

抽筒速度峰值由优化前的10.767 m/s下降到优化后的10.430 m/s，下降了约3.13%。抽筒速度的整体趋势保持不变，速度曲线均分为较慢和较快的两个阶段，当抽筒子内耳轴与闩体定形槽直线段接触时抽筒速度较慢，当与闩体定形槽弧形段接触时速度较快。优化前的抽筒速度在54.4 ms加快，在67.2 ms达到最大值。优化后的模型在52.8 ms抽筒速度加快，65.6 ms时刻达到最大抽筒速度。采用优化后的抽筒子对原有模型的抽筒特性改变很小。

5 结论

1)凸轮式抽筒子在经过结构优化分析后，强度提高了31.18%，变形增大了11.22%，质量减小了13.50%，最大等效应力由1 407 MPa减小到968 MPa。

2)经过优化的抽筒子与原始抽筒子的工作特性基本一致，优化后抽筒子的最大抽筒速度下降了3.13%，达到最大抽筒速度的时间提前了1.6 ms。

3)利用ABAQUS软件对凸轮式抽筒子进行拓扑优化是可行的，通过优化可以显著改善凸轮式抽筒子的工作环境，提高工作可靠性。

References)

[1]曾志银,宁变芳.抽筒力数值模拟[J].火炮发射与控制学报,2003(3):44-47. ZENG Zhiyin,NING Bianfang.Numerical simulation of extracting force[J].Journal of Gun Launch&Control,2003(3):44-47.(in Chinese)

[2]张金忠,丛孟凯,张双喜,等.125 mm坦克炮炮闩抽筒装置故障仿真分析[J].火力与指挥控制,2012,37(7):155-160. ZHANG Jinzhong,CONG Mengkai,ZHANG Shuang-xi,et al.Research on failure analysis based on simulation about 125 mm tank gun breechblock extractor mechanism[J].Journal of Fire Control&Command Control,2012,37(7):155-160.(in Chinese)

[3]康艳祥,张以都,白昭鹏.自动武器抽壳力仿真及抽壳力相关研究[J].计算机仿真,2007(3):18-22. KANG Yanxiang,ZHANG Yidu,BAI Shaopeng.Simulation of cartridge case extraction process for automatic weapon and research on extraction force[J].Computer Simuation,2007(3):18-22.(in Chinese)

[4]徐耀春.舰炮抽壳系统非线性结构动力学分析[D].镇江:江苏科技大学,2011. XU Yaochun.Nonlinear structural dynamics analysis of naval gun extractor systems[D].Zhenjiang:Jiangsu University of Science and Technology,2011.(in Chinese)

[5]张建,唐文献,徐省省,等.火炮炮闩抽筒子结构优化设计[J].兵工学报,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.(in Chinese)

[6]谈乐斌,张相炎,管红根,等.火炮概论[M].北京:北京理工大学出版社,2003. TANG Lebin,ZHANG Xiangyan,GUAN Honggen,et al.Artillery survey[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2003.(in Chinese)

[7]MA H W,MENG R.Optimization design of prestressed concrete wind-turbine tower[J].Science China:Technological Sciences,2014,57(2):414-422.

[8]ZHANG W H,DOMASZEWSKI M,BASSIR H.Developments of sizing sensitivity analysis with ABAQUS code[J].International Journal of Structural Optimization,1999,17(2):219-225.

StructuralOptimizationAnalysisofCamExtractorsBasedonABAQUS

LIAO Hui1，JIANG Liming2，WANG Gang1，REN Lin1，WEI Songbo1

(1.Mechatronic Engineering College,North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China；2.Chongqing Changfeng Machinery Limited Liability Company， Chongqing 402264,China)

Breechblock extractors are the very important parts during the process of gun extracting, its reliability has directly influence on the combat effectiveness of the gun. To reduce the peak stress of extractors, its topology and shape optimizations were carried out by use of the optimization module of ABAQUS software. For the sake of the validation and the optimization, the extractor was guided into the dynamics model. After two types of optimization, the peak stress of the extractor decreases by 31.2%, its deformation increases by 11.2%, its mass is reduced by 13.5% and the maximum extraction speed decreases by 3.13%. As a result, the optimization improves the reliability of extractors and it has little effect on the extraction process. This research can provide the valuable references for the similar structural design.

elastic-plastic mechanics; extractor; structural optimization; FEA

2014-04-14；

2014-06-25

廖辉(1989-)，男，硕士研究生,主要从事火炮与自动武器仿真。E-mail：liaohuixp@163.com

E924

A

1673-6524(2014)04-0053-05