0 引言
击针是枪械击发机构的重要部分,击针的主要功能是传递能量,保证击发时100%打燃底火的击发药,发射弹头。由于受到底火和击针孔的限制,击针的形状细长,并且断面多处有变化,工作时承受较大的撞击力,在多次交变应力的作用下,击针可能由于疲劳产生破坏,从而使武器发生故障,影响武器的可靠性。因此需要对击针进行有限元分析并计算其寿命,为击针的设计和疲劳损伤计算提供参考。
针对击针可靠性问题,许多学者进行了研究。张雅等[1]提出了一种考虑疲劳损伤退化过程的Kriging模型分析方法,利用退化数据分析了击针的可靠性;袁永强等[2]利用超声复合强化技术改变击针的表面性能,提高了击针的使用寿命;吴宝双[3]建立了击针磨损量与击发可靠性虚拟样机模型,并进行优化仿真;霍健鹏[4]利用理论公式推导与数值仿真的方法,对击针击发过程中的受力情况进行分析;葛藤[5]建立了击针有限元模型,找出击针最薄弱的地方为距离击针尾部的一段位置,而不是击针的顶端,并利用局部应力应变法对击针的寿命进行预估。
击针是自动武器中重要的零部件,击针发生断裂,直接影响到自动武器的可靠性。为确保击针在击发过程中的可靠性,本文对其力学特性和疲劳寿命进行了研究。以某型自动武器的击针为研究对象,利用UG软件建立其三维模型,在Workbench软件中建立击针的有限元模型。在进行仿真前,对击针材料进行拉压试验与拉伸疲劳试验,获取材料的应力-应变曲线与疲劳寿命曲线。最后根据试验数据,依据Miner线性累积损伤法则,在有限元分析的基础上对击针进行疲劳寿命分析,并将其与试验结果进行对比,以研究其疲劳失效规律。
本文中对击针的有限元计算为自动武器关重件的疲劳寿命的计算提供参考。同时目前缺少击针材料的疲劳试验数据,对其疲劳寿命特性了解较少。因此本文中综合有限元分析、疲劳试验和仿真的方法对击针的疲劳寿命进行研究,对了解击针的疲劳特性、寿命的预估具有重要的意义。
1 击针击发时有限元分析
击针打击底火的能量来源为击锤的撞击,如图1为击锤打击击针的原理图,击针的有限元分析是疲劳仿真的基础,主要目的为获取击针在击发状态时的应力分布情况。
图1 击针与击锤结构模型
Fig.1 Structure model of firing pin and hammer
1.1 击针的有限元模型
本文中研究对象是某步枪击针,根据设计参数在UG中建立击针的几何模型,然后将其导入ANSYS中,建立击针的有限元模型,如图2所示为击针的有限元网格模型。击针采用C3D8R的八节点六面体单元,击针易裂的危险区域,网格过大易导致有限元结果出现应力不连读,所以需要将该区域细化,以便得到较为准确的应力结果[6-8]。模型总共包括163 557个节点、126 824个单元。仿真模型中,击针的材料为30CrMnMoTiA,底火的材料为黄铜,其材料属性参数见表1,图7中为试验获取的30CrMnMoTiA应力应变曲线。模型中接触属性及边界条件如下:击针与击锤的接触面采用无摩擦接触、击针与底火之间采用摩擦接触,摩擦因数μ=0.1,击锤簧的初始预压力与刚度如表2所示。
表1 30CrMnMoTiA材料模型
Table 1 Material model of 30CrMnMoTiA
材料名称屈服强度/MPa最大抗拉强度/MPa弹性模量E/MPa泊松比30CrMnMoTiA1 3811713208 0000.3
表2 击锤簧几何参数
Table 2.Geometrical parameter of hammer spring
钢丝直径/mm弹簧刚度/(N·mm/°)弹簧预压力/(N·mm)15 140
图2 击针有限元网格模型
Fig.2 Finite element mesh model of firing pin
1.2 有限元结果分析验证
有限元计算可为击针疲劳寿命预测提供应力应变历程结果。有限元计算结果的可靠性会影响击针疲劳寿命预测结果的可靠性。因此,有必要进行有限元结果的分析和验证。
1.2.1 静态响应验证
为了检验有限元分析结果是否能够符合试验条件,对击锤进行角度测量试验。击锤角度的测量通过高速摄影完成。通过测量击锤的位移实时变化,最终转化为击锤的角度变化,设备如图3所示。
图3 高速摄影试验装置
Fig.3 High-speed photography test machine
在有限元仿真中,输出击锤在机框复进过程中实时角度的变化,将试验击锤角度与有限元仿真的角度进行对比,结果如图4所示。由图4可知,击锤角位移为69°时与击针撞击,击锤与击针撞击后分离,分离后击锤的角度为3°。仿真和试验误差较大的阶段为击锤撞击击针前阶段,最大误差不超过7%,击锤达到最大角位移时间,最大误差不超过5%,仿真结果在误差允许范围内,验证了仿真方案的可靠性和计算结果的准确性。
图4 仿真与试验值对比
Fig.4 Comparison of test and simulation
1.2.2 应力结果分析
图5为击针的Mises应力云图分布和实际击针断裂图。击针最大的Mises应力为击针锥度小端处断裂:锥度段与圆柱段过度部位,最大点应力位置与实际断裂位置相吻合。
图5 击针Mises应力分布云图
Fig.5 Mises stress contour of firing pin
2 击针疲劳寿命模型
2.1 疲劳寿命理论
对于单轴疲劳寿命分析问题,对其寿命进行预测,对于经104～105次以上循环失效的高周疲劳应用应力幅作为疲劳损伤参量,对于低于104～105次循环失效的低周疲劳应用应变幅作为疲劳损伤控制参量[9-11]。
击针在工作中收到冲击载荷的作用,寿命较短,应力较大且发生塑性应变。零构件的疲劳破坏都是从应变集中部位的最大应变处起始,因此,决定零构件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力应变,只要最大局部应力应变相同,疲劳寿命就相同。因而有应力集中的零构件的疲劳寿命,可以使用局部应力应变相同的光滑试样的应变-寿命曲线进行计算。
Manson等[12-13]通过试验,得到的寿命与应变的关系,即Coffin-Manson公式:
(1)
式(1)中:Δε为局部点总应变幅;Δεe为局部点弹性应变幅;Δεp为局部点塑性应变幅;σ′为疲劳强度系数;b为疲劳强度指数;E为材料的弹性模量;
为疲劳塑性系数;c疲劳塑性指数。
2.2 Miner线性损伤理论
由于击锤打击击针,击针的应力为等幅循环加载,在疲劳分析中常用线性疲劳损伤理论,经常用的为Miner理论[14],在Miner理论中,认为结构件在每一次载荷作用都会产生一定的损伤量,不同载荷产生的损伤是独立存在的,不考虑载荷加载的顺序影响,各自产生损伤可以累积,当累计值达到临界值时,结构件发生永久破坏。
一个循环,零件的线性疲劳为
(2)
在等幅载荷的作用下,第j个循环产生的累积损伤为
(3)
变幅载荷情况下的累积损伤为
(4)
式中:Ni为材料的疲劳寿命。
计算每次循环造成的疲劳损伤,再求解射击结束时击针的疲劳损伤,最后根据Miner准则,得到击针断裂时的疲劳寿命。
2.3 材料试验
为了获取击针材料的力学性能参数,通过万能试验机对击针材料进行拉压试验。试验所用的设备为RGM-2100电子万能试验机,并按照国家标准GB/T228—2010《金属材料室温 拉伸试验方法》中的试验方法进行试验[15-16]。控制拉伸速率为2 mm/min,对试件进行试验,直至试件断裂。试验装置和试验尺寸见图6,材料应力应变曲线如图7。
图6 疲劳试验装置及试样
Fig.6 Equipment and specimen in fatigue experiments
图7 击针材料应力-应变曲线
Fig.7 Stress-strain curve of firing pin material
为了获取击针材料的应变-寿命曲线,使有限元分析结果能够符合真实结果,对击针材料进行疲劳寿命试验。试验所用的设备为微机控制高频疲劳试验机,如图8,并按照国家标准GB/T3075—2008《金属材料 疲劳试验》中的试验方法进行钢丝寿命试验,材料的应变-寿命曲线如图9所示。
图8 疲劳试验机
Fig.8 Fatigue test machine
图9 击针材料应变-寿命曲线
Fig.9 Strain-life curve of firing pin material
3 击针疲劳寿命试验
为验证有限元模型的正确性,对击针进行疲劳寿命实验。实验采用某步枪作为试验用枪,试验工装如图10所示。试验按照国家军用标准GJB3484-1998中射击寿命试验进行环境模拟,试验中只进行常温寿命试验,以保证仿真材料状态的一致性,试验用枪如图10所示。按照单发、点射(3～5发)、连发(供弹具容量)射弹量分别为10%、70%、20%。射击时间间隔为1～2 s,冷却周期射弹后空冷3 min,然后水冷枪管至室温的方法进行寿命试验。
图10 疲劳寿命试验用枪
Fig.10 Fatigue life test gun
击针的失效是由于击针的断裂引起,故可通过连续观察来确认。确认击针发生疲劳破坏后,记录击发实弹的次数与击针发生断裂的位置。对某步枪进行疲劳寿命试验,在上述的工况条件下进行了5组试验,其试验结果分别为11 693、11 386、12 571、12 655、11 235。根据试验数据可得试验的平均寿命为11 908。
(5)
4 击针疲劳寿命模型
击针的疲劳寿命仿真在Ansys软件有限元分析结果的基础上,采用Miner线性累积损伤法则,对击针进行疲劳寿命进行计算。疲劳寿命的计算主要步骤为:有限元仿真结果输入、材料模型、载荷映射、疲劳分析以及疲劳结果的显示5部分,其核心步骤如图11所示。在进行疲劳寿命仿真时,第1阶段为将有限元仿真结果与材料的疲劳寿命数据进行映射,在软件中对材料的表面系数与表面粗糙度等进行设定;第2阶段为求解器的设置,主要的修正参数为平均应力的修正;第3阶段为后处理结果的输出,后处理为Life、Damage等结果云图[17-18]。
图11 疲劳分析流程
Fig.11 Flow chart of fatigue analysis
图12所示为击针的疲劳寿命云图,其中,寿命数值12 790为击针断裂处寿命,将试验结果与有限元结果进行对比,发现两者最小寿命位置相同,疲劳断裂区域处于击针锥度小端,锥度段与圆柱段过度部位,寿命误差为7.4%,在可承受的范围之内。造成有限元仿真数据偏大的原因是在进行寿命仿真过程中,忽略了材料表面缺陷、粗糙度等的影响。
图12 击针疲劳寿命分布云图
Fig.12 Fatigue life distribution contour of firing pin
由此可见,用本文中提出的击针疲劳寿命计算模型计算得到的击针总寿命和击针疲劳试验得出的平均寿命是非常接近的,该结果的一致性进一步验证了本文中所提出的击针疲劳寿命计算模型的合理性和准确性。
5 结论
1) 通过击针的有限元与疲劳寿命计算可知,材料应力-应变曲线与应变-寿命曲线为低周疲劳寿命计算的关键因素。
2) 击针的动态有限元仿真结果与试验结果吻合,最大相对误差不超过7.4%,在误差允许的范围内,验证了仿真方案的可行性与计算结果的可信性。
3) 通过对试验得到的应变-寿命曲线进行数值模拟,数值模拟结果与试验结果的一致性较好,能够很好地描述击针的疲劳寿命。
4) 通过Miner准则预测的击针疲劳寿命与试验疲劳寿命结果较为吻合,且击针的疲劳断裂区与实际断裂区一致,研究结果大幅度降低了击针的疲劳试验成本。
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