杠杆式抽筒子的动态特性研究及拓扑优化设计*

刘秀莲，胡胜海，张满慧，陈 茜（.哈尔滨工程大学机电工程学院，哈尔滨 5000；2.黑龙江科技大学机械工程学院，哈尔滨 50022；.长春轨道客车股份有限公司，长春 0022）

杠杆式抽筒子的动态特性研究及拓扑优化设计*

刘秀莲1，2，胡胜海1，张满慧1，陈 茜3
（1.哈尔滨工程大学机电工程学院，哈尔滨 150001；2.黑龙江科技大学机械工程学院，哈尔滨 150022；3.长春轨道客车股份有限公司，长春 130022）

针对杠杆式抽筒子工作时出现的断裂失效问题，以动力学和有限元理论为基础，分别进行抽筒子的动态特性研究和拓扑优化设计。得出其在抽筒过程中的动应力分布和危险区域，定性地确定出介质力学参数和工作参数的影响，获得了抽筒子的最佳材料布局和优化改进结构。优化前后抽筒子结构的对比仿真结果表明，改进结构能够使得应力集中危险区域仅为最大动应力降低10.6%的强撞击位置，其余部分均可转换为安全区域且结构刚度提升49%左右。所用方法有效可靠，为解决杠杆式抽筒子的断裂问题提供理论依据和技术手段。

杠杆式抽筒子，动应力，有限元，优化设计

0 引言

抽筒子是火炮抽筒系统的关键部件［1］，它在抽筒过程中的运动可视为在极短时间内发生高强度加载和卸载过程的动态响应。由部队训练和对越自卫反击战中的统计数据以及现有文献归纳可知，抽筒子极易在冲击载荷的反复作用下发生塑性变形甚至动态断裂，这将使得抽筒失效并导致火炮工作停止［2］。因此，有必要研究抽筒子在抽筒过程中的动态特性，对其进行动态优化设计以改善抽筒性能。

由于抽筒子工作状态具有短周期和高频响应特征，且涉及多种物理场的相互作用，所以采用实体仿真模拟是主要的研究手段。张金忠等［3］分析了抽筒装置的典型故障机理和易损部位的损坏程度，得到其损坏原因并提出改良方法。胡慧斌等［4］建立了抽筒子疲劳损伤与寿命预测模型，得到危险部位的最小寿命，并通过试验装置和优化碰撞参数验证其可信性。唐文献等［5］提出了炮闩抽筒过程的柔体动力学仿真方法，分析了抽筒子重要区域的受力变形情况。张建等［6］借助HyperWorks软件分别进行火炮炮闩抽筒子的拓扑优化和形状优化设计，解决抽筒子在工作过程中出现的屈服问题。上述大都是以凸轮式抽筒子为对象，而现役中小口径火炮中较多使用的是撞击类杠杆式抽筒子，但缺少相应的理论研究。

本文分析了杠杆式抽筒子的工作机理，基于非线性有限元技术研究其在闩体撞击下的动态响应，得出其动应力分布、危险区域和介质力学参数及工作参数的影响。在此基础上，进行了抽筒子结构的动态拓扑优化设计，获得了最佳的材料布局和改进结构，并进行了原有结构和改进结构的动态对比仿真分析。

1 抽筒子在抽筒过程中的动态响应

1.1 抽筒过程分析

杠杆式抽筒子实体模型如图1所示，其在中小口径火炮的典型应用是安装于85 mm加农炮的半自动立楔式炮闩［7］中，与抽筒子轴、闩体挂臂和药筒组成抽筒系统。在一个抽筒周期内，杠杆式抽筒子工作机理如下:开闩（炮闩装置）时，闩体向下运动；闩体带动闩体挂臂高速撞击抽筒子短臂，基于杠杆原理运动的长臂便猛烈沿顺时针方向转动，使爪缘带动药筒在身管内运动；抽筒后，闩体在关闭机弹簧作用下略向上升，使挂臂将抽筒子锁死；最后当弹丸重新装填时，药筒底缘推动抽筒子脱离闩体，抽筒子和关闩弹簧推动闩体复回原位。

图2 有限元网格模型

抽筒子在抽筒过程中承受闩体挂臂高速撞击和药筒抽筒阻力的共同作用，其运动等价于在冲击载荷作用下的瞬态响应。限于抽筒子结构的复杂性，理论分析模型难以与实际边界完整对应，因此，以非线性有限元技术［8］研究抽筒子的动态特性。而且，本文以药筒在身管内平移即射角为零的极限工况为具体对象。

1.2 有限元模型的建立

将杠杆式抽筒子、抽筒子轴和闩体挂臂的实体模型都导入ABAQUS中，设置各组成部分的物理性能参数如表1所示。采用8节点六面体减缩积分实体单元划分网格，抽筒子共划分7 018个实体单元，抽筒子轴划分666个实体单元，挂臂划分1 276个实体单元。装配体的有限元网格模型如图2所示。

为了实现抽筒子绕轴转动，在抽筒子轴的轴线上一点与固定参考点之间建立铰链连接单元，同时轴线上点与轴的两个端面之间建立耦合约束。在计算模型中简化抽筒子与药筒的接触，仅有抽筒子与轴、挂臂两个接触区域。它们均定义为面对面接触，并分别将抽筒子轴和挂臂上的接触面设置为主面。接触属性采用库伦摩擦模型，摩擦系数为0.1，法向为硬接触。在挂臂上定义沿垂直方向撞击速度为2.5 m/s，并建立一个持续5.4 ms的分析步对应动态抽筒过程。抽筒子与药筒的作用转化为图3所示的抽筒力［8］，它是药筒在身管中运动所需克服的摩擦力和药筒加速运动所需的主动力的合力。

表1 抽筒子的物理性能参数

图3 抽筒力的变化规律

1.3 杠杆式抽筒子的动应力分布

下页图4给出了抽筒子在抽筒过程中的等效应力云图，选取的代表性时间点分别为:抽筒前期时刻点0.2 ms、抽筒中间时刻点3.8 ms、抽筒末期时刻点5.4 ms。

从图4中可以看出:抽筒过程的初期，应力最大的部位是爪缘的根部以及长臂沟槽处，两处先后出现了一定程度的应力集中，但均未超过材料屈服极限。而随着抽筒过程进行，由于挂臂撞击作用以及抽筒力增大，挂臂与抽筒子的接触部位出现较大接触应力，最大达到1 959 MPa。除接触位置外，抽筒子长臂部分在整个抽筒过程中都有较大应力，且由中部到前后表面逐渐增大。爪缘的根部仅在初期出现一定程度应力集中，后续的抽筒过程中应力分布较均匀。

图4 抽筒子的等效应力云图

图5中分别给出抽筒子的爪缘根部、长臂沟槽和短臂圆角处的动应力随时间变化曲线。爪缘根部最大应力为608 MPa，小于材料屈服极限，可判定该位置是安全区域。长臂沟槽处最大应力为1 262 MPa，超过材料屈服极限的时间为1.8 ms，约占抽筒时长的1/3。而短臂圆角处的最大值为891 MPa，接近屈服极限的时间为1 ms，约占抽筒时长的1/5。它们均有断裂失效的危险，是需要改善的区域。

图5 抽筒子结构的应力变化曲线

为定性地研究抽筒子的力学参数弹性模量E、泊松比υ、材料密度ρ以及工作参数撞击速度V和主平板区域厚度的变化对动应力影响，以长臂沟槽厚度方向上的最大动应力点为对象，分别采用有显著变化的增大、减小和名义单一参数的3种仿真结果进行对比。

图6 抽筒子力学参数变化对动应力的影响

图6给出了抽筒子各个力学参数变化对动应力幅值和波动的影响:弹性模量与波动变化近似出现反比关系，对幅值变化影响不大；密度与波动变化近似为正比趋势，也对幅值变化有较大影响（无明显的比例关系）；泊松比对幅值和波动几乎都无影响。图7给出了抽筒子工作参数变化的影响:撞击速度与波动变化近似为正比关系，而与幅值变化不明显；平板厚度对波动几乎无影响，但与幅值变化是非线性反比关系，即厚度增大引起幅值的变化量远远小于厚度减小的对应增值。对比两图也可以得出，不论各个参数下的动应力幅值以及波动状况如何，其随时间变化的总体趋势都大致相同，对应抽筒力的变化。各点所受最大动应力所对应时间都在3.9 ms附近，只存在微小的浮动。

图7 抽筒子工作参数变化对动应力的影响

2 抽筒子的动态拓扑优化设计

由以上分析可知，抽筒子在抽筒过程中存在多处应力集中、最大动应力超过了材料的屈服极限，且有疲劳断裂风险的危险区域。而通过分析抽筒子力学参数和工作参数的影响，可知改变力学参数可以使得抽筒子的动应力集中得以局部改善，却难以获得整体优化效果。而改变工作参数（尤其是平板厚度）虽可缓解动应力集中，却忽视抽筒子自身的体积限制。因此，利用有限元分析中基于材料插值模型的密度法［9］，对抽筒子进行拓扑优化设计。

2.1 抽筒子的拓扑优化设计流程

由于抽筒子在抽筒过程中承受动态载荷，结构的平均柔顺度指标在时间历程上是一系列变化的值。将其考虑为在动载荷作用下以体积为约束的结构刚度优化问题，优化目标是减小结构在整个载荷时间历程上的平均柔顺度［9］。采用密度法进行拓扑优化时，优异的初始结构能够使优化过程在开始实施阶段与最优化材料布局最相近，并以最少的迭代步数获得全局最优的结果。基于抽筒子原始结构及有限元分析结果，将抽筒子体积增大30%，获得初始模型如图8所示。

图8 抽筒子的初始设计结构

优化过程中，除轴孔以及爪缘位置外，均定义为设计区域，即材料可去除。在动载荷作用下，抽筒子的拓扑优化设计流程如下所示:基于初始设计结构和动载荷、边界条件，建立有限元分析模型；在拓扑优化环境中，定义优化目标函数为结构整体应变能，体积约束条件为原结构的体积，惩罚因子取为3，单元相对密度下限设为0.05；提交任务进行迭代更新拓扑优化，当新结构满足约束和收敛条件时完成任务。

2.2 拓扑优化结果分析与讨论

基于上述优化流程，抽筒子初始结构经历20次迭代满足约束且达到收敛，获得新结构的材料最优布局如图9所示。图中黑色部分表示有材料区域，而灰色部分表示材料被删除的区域。可以得出，抽筒子短臂部分以及与爪缘相对的一侧的材料删除较多，与第2小节中应力分布结果一致，即短臂部分应力较小而长臂部分应力较大。

显然，图9中拓扑优化结果的材料分布不规则，难以直接应用于实际加工制造。而且，由于在抽筒过程中抽筒子钩没有力作用，在优化过程被删除了，但实际结构中该处必须保留用于维持开闩状态。因此，以最优化材料布局为参考依据，考虑加工可行性以及火炮工作要求，设计了一种如图10所示抽筒子的改进结构。相比于原结构，改进结构的体积与原有抽筒子的体积和厚度相同，但其长臂加宽；并且在与爪缘相对的一面上开轻量化盲孔；短臂末端也通过开盲孔去除一部分材料。

图9 抽筒子拓扑优化结果

图10 抽筒子的改进结构

为了验证改进后结构的有效性，将改进结果与原有抽筒子结构进行动态有限元对比仿真分析，对比模型的载荷和边界条件一致。图11给出了改进后抽筒子的有限元分析云图。可以得出，闩体挂臂初始接触抽筒子时，由于冲击作用，在长臂沟槽处以及轻量化孔的圆角处出现一定应力集中，但最大应力仅为180 MPa左右；在后续抽筒过程中，最大应力仅出现在下端的局部接触区域；当抽筒力达到最大时，改进结构的最大接触应力是1 773 MPa，相较于原有结构降低了10.6%。

将图4与图11中结果进行比较可知，改进后结构的长臂沟槽处和短臂圆角处虽然仍有一定程度应力集中，但应力值有所降低。撞击接触处的应力集中现象得到局部改善。轻量化孔圆角附近应力略大，但未超过屈服极限。对于接触处的动应力，由于挂臂撞击抽筒子的过程中接触位置不断变化，不可避免地会出现线接触的情况，因此，很难通过结构优化的方式得以改善。

图11 抽筒子改进结构的动应力云图

为直观显示优化前后抽筒子的动应力分布，将改进结构的爪缘根部、长臂沟槽和短臂圆角位置的动应力曲线也在图5中给出。由对比结果可以得出:改进后爪缘根部的应力曲线与原结构变化趋势一致，但最大值仅为549 MPa，减小了10%；长臂沟槽处最大等效应力仅为484 MPa，降低了58%，其应力集中改善最明显；短臂圆角处的应力变化曲线与原结构有一定差别，但总体趋势一致，其最大应力值出现在2.7 ms左右，为680 MPa，减小了21%。图12给出了改进前后结构在抽筒过程中的应变能变化曲线。

图12 改进前后应变能变化曲线

从图中可以看到，改进后结构在抽筒过程中的应变能显著降低，相比于原结构，其应变能最大值降低了49%，即结构刚度增大了49%，表明优化后的结构不仅性能得到明显改善，而且降低了杠杆式抽筒子断裂失效的危险。

3 结论

1）杠杆式抽筒子的动应力集中危险区域出现在长臂沟槽、短臂圆角和撞击接触处，且撞击处的应力集中最大。其均有断裂失效的风险，与凸缘式抽筒子的爪根部疲劳断裂有较大差异。

2）杠杆式抽筒子的力学参数和工作参数变化会引起动应力出现波动和幅值的变化，但不会使得动应力响应的总体趋势改变。其中，弹性模量、密度和撞击速度对动应力波动有较大影响，平板厚度对幅值变化有较大影响，泊松比对幅值和波动变化几乎都无影响。

3）通过抽筒子改进结构与原有结构的对比仿真结果可知，优化后的抽筒子仅剩余撞击接触位置为危险区域，最大动应力也降低了10.6%。优化结构的应变能变化趋势不变，但峰值也降低了49%。

所用方法有效可靠，获得的结果为解决中小口径火炮抽筒子的断裂问题提供理论依据和技术手段，对提高火炮生存力和可靠性有重要意义。

［1］谈乐斌，张相炎.火炮概论［M］.北京:北京理工大学出版社，2005.

［2］付昆.某火炮炮闩系统故障预测研究及关键件寿命分析［D］.南京:南京理工大学，2012.

［3］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）: 155-157.

［4］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.

［5］TANG W X，ZHANG J，ZHANG P.Cartridge-case extracting analysis of some breech mechanism based on flexible body dynamics method［J］.Applied Mechanics and Material，2011，43（10）:338-341.

［6］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.

［7］良青历.卫国功臣中国1956年式85毫米加农炮［J］.现代兵器，2010（7）:19-26.

［8］卫丰，张光.药筒发射应力和抽壳力的有限元分析［J］.爆炸与冲击，2001，21（1）:72-75.

［9］HANS A E，NIELS O.Topology optimization of continuum structures:a review［J］.Applied Mechanics Reviews，2001，54（4）:331-390.

Dynamic Characteristics and Structural Optimization Design of Level-type Cartridge Extractor

LIU Xiu-lian1，2，HU Sheng-hai1，ZHANG Man-hui1，CHEN Xi3
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.School of Mechanical Engineering，Heilongjiang Science and Technology Institute，Harbin 150022，China；3.Changchun Railway Vehicles Co.LTD，Changchun 130022，China）

To the dynamic fracture failure of the level-type cartridge extractor in the extraction process，the dynamic characteristics analysis and topology optimization design are both carried out based on the dynamics and finite element theory.The distribution of dynamic stress and risk areas are obtained during the short period extraction process，the influences of mechanical parameters and the working parameters are analyzed qualitatively.Moreover，the optimal material layout and improvement structure of the cartridge extractor are implemented.Through the physical simulations of the original and optimal structure model，the comparison results show that only the impact position in the improvement structure belongs to risk area，of which maximum dynamic stress reduces 10.6%and the structural stiffness improves 49%.The analysis method and technological process is effective and reasonable，which provides theoretical basis and feasible solution for the fracture failure problems of the level-type cartridge extractor.

level-type cartridge extractor，dynamic stress，finite element，optimization design

TJ<303.8 class="emphasis_bold">303.8 文献标识码：A303.8

A

1002-0640（2017）03-0117-05

2016-02-04

2016-03-07

国家自然科学基金资助项目（51175099）

刘秀莲（1979- ），女，黑龙江哈尔滨人，讲师。研究方向：机械设计。