火炮弹性胶泥缓冲器结构设计及有限元分析

中北大学机电工程学院 马彦晋 苏铁熊 仝志辉

火炮弹性胶泥缓冲器结构设计及有限元分析

中北大学机电工程学院 马彦晋 苏铁熊 仝志辉

传统反后坐装置结构复杂、质量重、制造成本较高，为了弥补这些不足，设计了一种可用于火炮的弹性胶泥缓冲器，并对其进行有限元分析。通过UG软件建立火炮弹性胶泥缓冲器三维模型，对其做简化处理，然后导入ANSYS中划分网格、施加约束条件和载荷，最后进行求解，对其应力和变形进行评价。通过分析发现，将活塞杆直径加粗可以大幅度地降低应力水平，提高安全系数。利用ANSYS软件对设计的火炮弹性胶泥缓冲器进行了有限元分析计算，指导了结构的改进设计。

火炮反后坐装置；弹性胶泥缓冲器；有限元分析

现代火炮普遍采用了反后坐装置，它主要是由制退机和复进机组成。随着现代战争对火炮系统性能和威力的要求不断提高[1]，为了在不降低火炮系统性能的前提下同时提高火炮的机动性，弹性胶泥缓冲器火炮应运而生。这种结构的火炮以具有结构简单、体积小、质量轻、价格便宜、性能稳定、耐老化性强、使用寿命长，且无毒无臭等特点，受到了火炮研究者的青睐，因而与火炮匹配的缓冲器的设计非常重要，但设计难度也比较大。有限元法是现代兵工、机械设计的重要工具．对于提高产品的质量、降低产品开发制造成本、缩短开发周期具有重要意义。

1 火炮反后坐装置原理简介

在火炮炮身与架体之间安装的、用来耗散和储存缓冲减振方向。火炮射击时的后坐能量并使炮身复位的结构部件称为反后坐装置[2]。传统反后坐装置一般由制退机和复进机两部分组成，火炮发射时，一方面火药燃气推动弹丸向前运动直至脱离炮口，另一方面膛内火药气体也作用于炮身，使炮身等构件向后运动，这称为后坐运动。火炮后坐时，制退机给将一个幅值很大、变化剧烈的炮膛合力在短距离上做的功转化为一个幅值较小、变化平稳的后坐阻力，从而起到缓冲的作用；火炮复进时，复进机给炮身等构件提供一个向前的力，最终使其回复到发射前的状态，从而起到复进的作用。

2 火炮弹性胶泥缓冲器结构设计

火炮弹性胶泥缓冲器是一种把可压缩体积的，具有流动性、粘弹性的胶泥放于密闭的容器中，以实现在火炮后坐时缓冲后坐能量，复进时提供复进力的机构。由于弹性胶泥的特殊性质，使其具有相当于传统反后坐装置中的制退机和复进机的作用。基于此,本文设计出一种可以用于火炮的弹性胶泥缓冲器，其结构如图1

图1 火炮的弹性胶泥缓冲器结构示意图1活塞杆2端盖3缸壁4活塞5注气阀6单向阀

活塞杆1与火炮后坐部分固连，缸壁3与火炮摇架固连。通过注气阀5向氮气室内注入高压氮气，并通过单向阀6，使活塞工作腔内胶泥压力升高到预压力P。当火炮发射前，外力F小于预压力P，活塞杆保持静止不动；当火炮发射过程中，当后坐力大于预压力P时，火炮后坐部分向后运动，带动活塞杆1随之运动，同时带动活塞4向容器内运动。活塞挤压工作腔内胶泥，一方面使得胶泥体积被压缩，另一方面使得胶泥经过活塞上的4条阻尼槽流动，起到阻尼的作用。随着胶泥体积的减小，产生的后坐阻力逐渐增大，直到与后坐力F相等；当后坐力减小直至消失时，胶泥体积恢复到原状，推动活塞向容器外运动到起始位置。

3 缓冲器关键部件分析

由胶泥缓冲器的工作原理可知，活塞杆是最重要的受力部件，因此有必要对其进行强度分析。大量的工程实践证明ANSYSWorkbench中的静力学模块可以准确地对结构进行计算分析，因此，下文将利用该软件对活塞杆进行强度分析校核。

3.1 模型前处理

为了得到质量较好的网格，必须对活塞杆中一些倒角、螺纹等微小结构进行简化处理[3]。简化处理后将活塞杆模型导入ANSYSWorkbench中，并对其划分网格，得到有限元模型如图2。

图2 活塞杆有限元模型

3.2 模型初步分析

通过查阅相关资料可知，现有火炮的后坐阻力一般不超过2×105N[4]，因此将2×105N作为活塞杆受到的最大外力。在ANSYSWorkbench中，将其加到活塞工作面上如图3（a）所示。在活塞杆和后坐部分连接轴肩处施加固定约束如图3（b）所示。

图3 载荷和约束施加情况

对施加好载荷和约束的活塞杆有限元模型进行求解，得到活塞杆的应力和变形如图4。

图4 原活塞杆应力与变形情况

3.3 改进优化后分析

由图4（a）可以看出活塞杆的最大受力为442.77MPa，这远远超过了结构钢的屈服极限235MPa，因此必须对其进行改进优化。通过查阅液压缸设计手册[5]，将活塞杆直径由30mm分别变为40、50mm，并再对其进行强度分析。得到结果如图5、6所示。

图5 优化后活塞杆(40mm)应力与变形情况

图6 优化后活塞杆（50mm）应力与变形情况

4 结果分析

表1 活塞杆不同直径时对应的受力情况

由上表可以看出，当活塞杆直径由30mm变为40mm后，其最大应力由283.24MPa降为159.28MPa,减小了约 44%，最大变形由 0.68324mm降为0.38943mm，减小约43%，。当活塞杆直径由30mm变为50mm后，最大应力由283.24MPa降为101.91MPa,减小了约 64%，最大变形由 0.68324mm降为0.252mm，减小约63%，质量由23.53kg变为28.63kg，增加了约22%。

5 总结

本文设计出了一种可连接在火炮上的弹性胶泥缓冲器，通过对其关键受力零部件进行强度分析，找出了弹性胶泥缓冲器的薄弱部位，并进行了优化设计，使其满足安全要求。为火炮弹性胶泥缓冲器地设计和改造提供了理论依据。

[1]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，2005：15～18．

[2]高跃飞.火炮反后坐装置设计[M].北京：国防工业出版社，2010：25．

[3]许京荆.ANSYSWorkbench13.0数值模拟技术[M]．北京：中国水利水电出版社，2012：98．

[4]张相炎.火炮设计理论[M].北京：北京理工大学出版社，2005：98．

[5]李兵，黄方平.液压与气压传动[M]．武汉：华中科技大学出版社，2012：48．

马彦晋，男，1987年9月出生，山西省大宁县人，硕士，研究方向：