迫击炮牵引装置动力学分析及关重件结构优化设计

作     者：戈灿灿 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：葛建立;胡志伟

授予年度：2023年

学科分类：082601[工学-武器系统与运用工程] 08[工学] 082603[工学-火炮、自动武器与弹药工程] 0826[工学-兵器科学与技术] 

主      题：迫击炮牵引装置 多体动力学分析 有限元分析 疲劳分析 结构优化 

摘      要：传统迫击炮作为步兵的主要火力支援武器,具有结构简单、作战灵活等优点。大口径迫击炮使用牵引装置很大程度上提高了其机动性能,增加了战术灵活性。本文以传统迫击炮牵引装置为研究背景,研究分析牵引装置在行驶过程中,其扭力轴、限位块等关键部位出现裂纹、损坏等故障,并对关重件进行优化设计提高其使用寿命。全文主要研究的内容如下: (1)建立了迫击炮牵引装置行驶过程动力学模型并进行了仿真分析。根据三维模型,在Recur Dyn中建立了路面模型、迫击炮及牵引装置多体动力学模型,模拟路面行驶过程,获得了限位块的受力以及扭力轴扭矩和挡块角位移,为后续分析提供了载荷条件。结果表明,限位块受到接触力较大,扭力轴受扭矩较大,挡块角位移和扭矩均出现负值,即挡块及扭力轴发生反向扭转。 (2)建立了迫击炮牵引装置关重件限位块、扭力轴等有限元模型并进行了强度分析。将多体系统动力学仿真结果,加载在关重件上进行有限元分析。对限位块进行显式动力学分析,得出限位块最大应力点从而得出易发生破坏的地方。通过对扭力轴进行静力学分析得出扭力轴最大应力点。结果表明,限位块受到应力较大,最大应力出现在限位块与套筒连接处附近,扭力轴受到最大应力点在轴杆与花键之间的轴颈附近。 (3)建立了迫击炮牵引装置限位块、扭力轴疲劳分析模型。运用n Code疲劳分析软件对扭力轴及限位块进行疲劳分析,采用时间序列载荷的加载方式,选用S-N曲线疲劳分析法,计算得到限位块、扭力轴耐久性疲劳寿命。结果表明限位块及扭力轴耐久性疲劳寿命均很小。 (4)提出了一种限位块结构改进设计方案。根据强度分析和疲劳寿命分析中反应的强度和寿命不足问题,对限位块总体方案进行改进,增加上限位块,限制反向扭转,同时对限位块结构进行改进。新结构计算结果表明,上限位块受到应力较小,寿命较长;下限位块改进后比改进前应力显著减小,疲劳寿命显著增加;扭力轴扭矩降低并且没有负值出现,即不再发生反转。但由于增加上限位块使得扭力轴受扭频繁,因此扭力轴寿命增加不明显。 (5)建立了扭力轴优化设计模型。考虑到扭力轴质量很小轴杆很细,受应力较大,因此,扭力轴有很大的优化空间。对扭力轴进行尺寸优化,满足质量在一定范围内增加,应力最小。优化后扭力轴最大剪切应力从646.3MPa减少到381.3MPa,寿命增加到3519km,经试验考核满足要求。 本文的研究结果对迫击炮牵引装置关重件设计与优化具有一定的工程应用价值。