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                        经典案例
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                        考虑身管壁压的迫击炮炮身有限元分析

                        发布于:2020-01-02 19:10
                        有限元分析

                               机动性在迫击炮设计中是必须考虑的问题。为了提高迫击炮的机动性,设计时往往会对其结构进行优化来减轻其质量。然而在减质的同时,就不能不考虑各部件的强度问题。对迫击炮身管和炮尾进行发射过程的有限元分析,可以获得结构的强度,发现结构的薄弱处,并对其进行改进。
                               分析时主要考虑身管和炮尾,因此省略迫击炮中的其他零件,其三维实体模型如图所示。根据身管和炮尾的实际模型和受力情况,对分析计算模型做如下假设及简化:①假设炮身竖直向上放置,此时炮尾受力最恶劣,身管不受影响,这样可以最大限度地验证炮尾的强度;②由于炮尾的尾球与座饭驻臼是球铰连接,故分析中省略了座饭,而是在炮尾尾球的下半个球面施加一无摩擦的支撑约束;③身管和炮尾都是三维轴对称的,并受轴对称的膛压作用,因此可以将模型简化为二维轴对称模型,如图所示。
                               传统的身管分析只考虑身管在最大膛压作用下的强度,即静态分析,分析结果保守,导致身管偏重。但实际上不是身管整个内壁面都要承受最大膛压,而且压力是随时间和弹丸行程变化的。所以身管有限元分析必须要考虑瞬态效应,即考虑身管内壁面各部受力的不同。炮尾起着闭锁炮膛的作用,在整个内弹道过程中都受膛压的作用,压力曲线为完整的内弹道p-t曲线,如图所示。对于身管来说不是整个内壁面都承受最大膛压的,随着弹丸的向前运动,弹丸前原本不受压力的壁面也开始受压,如图所示。考虑身管壁面各部位承受的压力不同,根据p-t曲线和p-L曲线将内壁面在轴向分为22段,压力分段施加。弹丸尾部的身管壁面在整个内弹道过程中都受压,压力曲线为完整的内弹道p-t曲线。以时间轴来看,各个壁面承受的压力为部分内弹道膛压曲线,部分壁面和相对应的压力如图所示。
                               在施加完载荷和约束后,进行网格划分,继而进行计算。计算结果显示:在整个发射过程中,身管的最大应力为351.85 MPa,发生在t=1.8 ms;炮尾的最大应力为637.99 MPa,发生在t=1.9 ms,出现在炮尾的过渡圆弧处。迫击炮身管和炮尾的材料均为15Cr,强度极限在500 MPa左右,可见炮尾圆弧处的强度不够,因此加大炮尾过渡圆弧处的圆角。改进后重新计算,结果显示:在整个发射过程中,身管的最大应力为351.87 MPa,发生在t=1.8 ms,变化不大;炮尾的最大应力为471.26 MPa,发生在t=1.9 ms,强度满足要求。结构改进后的应力云图见图,最大应力随时间变化曲线见图。
                               在考虑膛壁压力时,通过对身管和炮尾的有限元分析,能更具体地分析膛内压力的变化情况。通过此模型可以获得身管和炮尾的结构强度,从而能更好地对其结构薄弱处进行改进。


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