毕业设计（论文）-100滑炮尾应力分析.doc

目 录 1 绪论 11.1 炮闩 21.2 炮尾 21.3 应力分析的作用和意义 41.4 设计方案 42 应用软件简介 62.1三维建模软件的选择及其介绍 62.2 有限元分析软件选择及其介绍 83 用Solidworks建立三维炮尾模型 113.1 炮闩实体建模 123.2 炮尾模型简化 133.3 通过SolidWorks进行简单的受力分析 144 用ANSYS软件对三维100滑炮尾模型进行有限元仿真 154.1 网格划分 154.1.1设置单元属性 154.1.2 网格划分的控制 154.1.3 划分实体模型 164.1.4 划分注意事项 184.2 ANSYS的加载与求解分析 194.2.1 载荷的形式 194.2.2 载荷施加方式和自由度类型 194.2.3材料模型 204.2.4 定义边界条件 214.2.5 求解及其结果分析 245 方案改进 285.1 改进方案一 285.2 改进方案二 285.3 设计中存在的不足 306 结论 31参考文献 32致谢 331 绪论随着现代科学技术和战争理论的不断进步与发展，火炮在现代武器的发展舞台上的地位也随之不断地提升，越来越受各国的青睐。火炮自动武器是当今世界各国军队陆、海、空装备数量最多，使用最频繁的武器种类，具有威力大、持续战争力强、抗干扰能力强、目标特征小、功放性能兼备、反应速度快、操作维护简易、可靠性好、造价低廉、弹药种类丰富等特点，是其他任何武器不可替代的，在现代及未来战争中具有举足轻重的作用。尤其是在火炮体系中，随着新高技术在战场上的大量应用，战争形式在不断发生变化，未来战场对火炮的战术技术性能提出新的要求，促使火炮领域发生深刻的变化。各国在发展火炮自动武器的过程中，均以提高其射程、射速、威力、精度、快速反应能力和生存能力等综合作战性能为目标，将高新技术应用于常规武器，大幅度提高其战术性能，使军队作战能力成倍增长。火炮系统是现代火炮的火力系统、火控系统、通讯与管理系统、防护系统、运行系统等的总称。火力系统包括发射系统和弹药系统。火炮发射系统一般包含如图1.1所示的部件或子系统。火炮发射系统后座部分架体部分操瞄部分上架大架下架摇架平衡机方向机高低机装填机构半自动机炮身反后座装置图1.1 火炮发射系统然而，在整个滑膛炮系统的结构中，炮身是火炮的一个重要组成部分，一般由身管、炮闩、炮尾和炮口装置组成。它的主要作用是完成炮弹的装填和发射任务，承受火药燃气压力，赋予弹丸一定的初速和射向。而本设计的主要任务就是研究并阐述炮身结构中的炮闩和炮尾部分在整个滑膛炮系统中的作用；通过SolidWorks对炮尾建立三维实体模型，然后用ANSYS软件对三维模型进行有限元仿真分析，从而了解炮尾的结构特点和计算特点。阐述其中不足之处，并对其进行优化设计。1.1 炮闩炮闩（breech mechanism），又称机心（bolt），是发射时承受燃气压力，具有闭锁、击发、开锁、开闩及抽出药筒等功能的机构。一般由关闩、闭锁、击发、开闩（开锁）、抽筒、保险等机构组成。通常把直接承受火药燃气压力并为各零、部件所依附的核心零件（或主体零件）称为闩体（breechblock）。炮尾一般是指联结炮闩和身管并容纳部分炮闩机构及构件的零件，射击时承受和传递炮闩所受的作用力。炮闩和炮尾在设计中应满足下列基本要求1、闭锁确定。炮闩和炮尾应有足够的强度和刚度，并与身管可靠结合；不能因火药燃气压力作用而自行开闩；燃气不应后溢。2、结构简单，分解结合容易，操作方便，动作可靠。重要零件应有备件并能进行完全互换。操作开、关闩机构轻便且装填方便。3、应具有多种可靠的保险装置，保证射击过程中的安全。如：关闩未到位不能击发；瞎火或迟火时用一般操作不能开闩；滑膛炮在行进间装填后，不能因车体振动而引起击发。在实际设计中，炮闩结构是根据火炮的要求和总体布置而定，而炮尾结构又是相应于炮闩结构而定。1.2 炮尾一、炮尾的作用炮尾（breech）用来安装炮闩，连接身管，并和反后坐装置相连。发射时，炮尾承受和传递炮闩所受膛底压力，使炮身产生后坐运动。炮闩在完成关闩、闭锁|、击发、开闩和抽筒等各种动作时，有些零件需要装在炮尾上，因此，在炮尾加工有不同的平面、孔、凸起部分和凹槽等。采用分装式炮弹的火炮炮尾内还设置有挡弹和拖弹装置，有的炮尾还配有一定质量的金属块以调整火炮起落部分的质心。二、炮尾的结构类型炮尾的结构形式取决于闩体的结构形式。目前，常用的闩体有两种，楔式炮闩与螺式炮闩。与此对应的炮尾是楔式炮尾和螺式炮尾。1、楔式炮尾（sliding wedge breech）。它与楔式炮闩相配合共同闭锁炮膛，多用于中、小口径半自动滑膛炮。根据闩体在闩室内运动方向不同又分为立楔式和横楔式。（1）立楔式炮尾的闩室是垂直孔，开关闩时，闩体在闩室内作上下运动。（2）横楔式炮尾的闩室是水平横孔，开关闩时，闩体在闩室内作左右横向运动。2、螺式炮尾（screw breech）。这种炮尾与楔式炮闩相配合，完成闭锁炮膛的作用，通常用在药包装填的大口径火炮上。中口径药筒分装式火炮也常采用螺式炮尾。三、炮尾和身管的连接1、固定式。炮尾和身管作成一体，这种结构使炮身尾部横向尺寸显著减小，结构紧凑，但其主要缺点是炮尾不能更换，身管制造困难；身管损坏后，炮尾也不能使用。2、螺纹连接式。近代滑膛炮多将炮尾做成单独零件，利用螺纹和身管连接。根据螺纹的不同，有可以分为以下两种。（1）全螺纹连接式。这种结构又可以分成两种，一种是直接将螺纹刻制在身管上。一种是螺纹刻制在被筒上，为了防止身管由被筒中前移，身管后做成一个凹肩，同时身管被炮尾从后面顶住不致于向后脱出。在带活动衬管的炮身中，为了防止衬管在外筒中转动，常用键来固定。（2） 断隔螺纹连接。身管和炮尾分别加工相应的断隔螺纹。身管插入炮尾旋转一定角度即可结合，最后用驻栓制转。其优点是简单且拆装迅速，适于经常更换身管的滑膛炮。高射速的中、小口径高射炮多采用这种连接方式。但对大口径炮种则不大适宜，因螺纹的接触面较小，为保证强度，势必要增加螺纹圈数（即增加螺纹长度）。3、连接筒连接方式。炮尾和炮身结合、分解时，两大件不需转动，采用一个带锯齿形外螺纹的短连接筒将两者连接。身管后端面紧抵炮尾内的定位面，连接筒旋入炮尾内，其一端顶在身管唤醒凸起部上，以限制身管轴向移动，另一端凸缘上有小齿，与固定在炮尾上的驻板配合，防止本身松动。身管与炮尾间用键防止相对转动。该连接方式装配工艺性好，拆装方便，便于维修，但炮尾的外形尺寸较大1。1.3 应力分析的作用和意义当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变（Strain）。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力（Stress）。按照应力和应变的方向关系，可以将应力分为正应力 和切应力，正应力的方向与应变方向平行，而切应力的方向与应变垂直。按照载荷（Load）的作用形式不同，应力又可以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。2应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力，极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低，规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料要想安全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在使用时发生破坏。因此，我们在设计过程中要对所设计零件进行应力分析，以保证其所受应力小于极限应力，确保零件质量和使用寿命。 综上所述，在对滑膛炮的炮尾进行设计时，对其受到的应力和应变大小进行分析是至关重要的一步，它关系到系统的可靠性、安全性、经济性等各方面参数，对其开发、生产以及以后的使用都有着深远的影响，其详细分析过程见下文。1.4 设计方案本设计的核心内容用一句话概括就是根据课题内容和要求，对100mm滑炮尾进行结构受力分析。炮尾是火炮（滑膛炮）的主要部件，是连接身管和闩体的关键部件，而且还安装有完成开关闩、击发、抽筒动作的零部件，引导活动构件运动。同时炮尾也是火炮中较复杂的零件之一，加工工序相对比较复杂。而且炮尾上有许多各种形状的槽、孔、凹凸部，其作用大致有三个方面：(1) 安装、固定、导向其他零件；(2) 工艺上的需要；(3) 减轻重量。但也因此导致炮尾存在着结构复杂，种类繁多，孔面也多，射击时受力复杂等多种制约因素。另一方面，炮尾在整个射击过程中，要承受巨大的作用力，尤其是闩体作用于炮尾闭锁支撑面时产生的作用力。严重的情况下，会导致炮尾产生裂纹，进而造成整个火炮的破坏，这种情况既危险又会造成极大浪费。因此，在对100滑炮尾应力分析的设计过程中需要尽量避免以上几种情况的发生。但传统设计手段不能使其精确的符合实际要求，经过一段时间的学习和参考大量文献、资料，最终敲定一种相对精确和完善的设计思路先经过计算，分析炮尾的结构特点和计算特点，再用SolidWorks建立三维的炮尾模型,最后使用ANSYS大型有限元仿真软件对炮尾模型进行有限元仿真。随着计算机水平以及其他各方面因素的发展，用ANSYS进行有限元分析已经广泛的应用到了各个领域，其分析结果的可靠性较高，对设计改进等提供了详细的参考资料。但由于个人能力有限，本设计的分析对许多部分都进行简化。本文目的主要用来阐述整个分析过程并得出简单的结论。2 应用软件简介2.1三维建模软件的选择及其介绍有限元分析的前处理模型的建立可以借助于三维设计软件SolidWorks 。首先，要求根据尺寸要求，对炮尾进行三维实体建模，常用的三维绘图软UG, Pro/ENGINEER、Solidworks等，该设计选择SolidWorks作为建模软件。SolidWorks是基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中。SolidWorks能完全自动捕捉设计意图和引导设计修改，在SolidWorks的装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件。不论设计用自顶而下方法还是自底而上的方法进行装配设计，SolidWorks都将以其易用的操作大幅度地提高设计的效率。此软件有全面的零件实体建模功能，其丰富程度有时会出乎设计者的期望。用SolidWorks的标注和细节绘制工具，能快捷地生成完整的、符合实际产品表示的工程图纸。SolidWorks具有全相关的钣金设计能力。钣金件的设计即可以先设计立体的产品也可以先按平面展开图进行设计。SolidWorks软件提供完整的、免费的开发工具(API)，用户可以用微软的Visual Basic、Visual C+ 或其它支持OLE的编程语言建立自己的应用方案。通过数据转换接口，SolidWorks可以很容易地将目前市场几乎所有的机械CAD软件集成到现在的设计环境中来。SolidWorks一贯倡导三维CAD软件的易用性、高效性。SolidWorks软件的特点和优点包括： 1、全Windows界面，操作非常简单方便 SolidWorks是在Windows环境下开发的,简易方便的工作界面； 利用Windows的资源管理器或SolidWorksExplorer可以直观管SolidWorks文件； SolidWorks软件非常容易学习； SolidWorks采用内核本地化，全中文应用界面； SolidWorks全面采用Windows的技术，支持特征的剪切、复制、粘贴操作；支持拖动复制、移动技术； 2、清晰、直观、整齐的“全动感”用户界面 “全动感”的用户界面使设计过程变的非常轻松：动态控标用不同的颜色及说明提醒设计者目前的操作，可以使设计者清楚现在做什么；标注可以使设计者在图形区域就给定特征的有关参数；鼠标确认以及丰富的右键菜单使得设计零件非常容易；建立特征时，无论鼠标在什么位置，都可以快速确定特征建立； 图形区域动态的预览，使得在设计过程中就可以审视设计的合理性； 利用FeatureManager设计树设计人员可以更好地通过管理和修改特征来控制零件、装配和工程图； PropertyManager属性管理器，提供了非常方便的查看和修改属性操作； PropertyManager属性管理器，减少了图形区域的对话框，使设计界面简捷、明快； ConfigerationManager属性管理器很容易地建立和修改零件或装配的不同形态，大大提高了设计效率； 3、灵活的草图绘制和检查功能 草图绘制状态和特征定义状态有明显的区分标志，设计者可以很容易清楚自己的操作状态； 草图绘制更加容易，可以快速适应并掌握SolidWorks灵活的绘图方式：单击-单击式或单击-拖动式；单击-单击式的绘制方式非常接近Auto CAD软件； 绘制草图过程中的动态反馈和推理可以自动添加几何约束，使得绘图时非常清楚和简单； 草图中采用不同的颜色显示草图的不同状态； 拖动草图的图元，可以快速改变草图形状甚至是几何关系或尺寸值； 可以绘制用于管道设计或扫描特征的3D草图； 可以检查草图的合理性； 4、强大的特征建立能力和零件与装配的控制功能 强大的基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现零件的设计； 可以对特征和草图进行动态修改； 功能齐备和全相关的钣金设计能力。利用钣金特征可以直接设计钣金零件，对钣金的正交切除、角处理以及边线切口等处理非常容易；SolidWorks提供了大量的钣金成形工具，采用简单的拖动技术就可以建立钣金零件中的常用形状；在本设计中考虑到炮尾几何模型的复杂性,用ANSYS建立三维模型比较复杂，并且数据量过大， 因此选择采用SolidWorks对其进行独立的实体建模，然后将炮尾三维模型导入ANSYS中进行静态应力分析，具体的分析和设计过程将在后文详述。32.2 有限元分析软件选择及其介绍随着有限元技术的不断发展，有限元分析在产品设计、开发中所起的作用亦越来越大，本文的应力分析以美国ANSYS公司开发的大型有限元软件ANSYS软件为平台，利用其模态分析功能和谐响应分析功能，讨论有限元软件在确定火炮炮尾应力分析方案中的应用。有限元分析（FEA）是工程科学的重要工具,ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、国防军工、电子、土木工程、造船、地矿的多个领域广泛应用。ANSYS能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, Solidworks ，AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。 一、有限元分析的优点：有限元分析的优点十分明显，主要表现在：1、把一个系统离散成为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程，从而可用多种方法对其求解。2、边界条件不进入单个有限元的方程，而是在得到整体代数方程后再引入边界条件，这样，内部和边界上的单元都能够采用场变量模型，而且当边界条件改变时，内部场变量模型不需要改变。3、有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散过程中把物体看成连续的，而且不需要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点。4、有限元法不需要适用于整个物体的插值函数，而只需对每个子域或单元采用各自的插值函数，这就使得其对复杂形状的物体也适用。5、有限元法能很容易求解非均匀连续介质，而其它方法处理非均匀连续介质比较困难。6、有限元法适用于线性和非线性的场合。二、ANSYS的基本构架1、ANSYS软件的层次划分ANSYS软件分为两层，一是起始层（Begin Level），二是处理层（Processor level）。当输入操作命令时，可通过起始层过滤和分流，进入到处理层中不同的程序求解模块进行实际分析和求解。2、ANSYS软件的模块结构ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。（1）前处理模块前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。（2）分析计算模块该模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。（3）后处理模块该模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。43、ANSYS建模方式ANSYS建模的方式分为实体建模和直接建模两种。（1）实体建模：首先生成分析对象的几何模型，然后再对几何模型进行网格划分生成节点和单元构成的有限元分析模型。实体建模一般比较适用于大而复杂的模型，特别是三维模型。能做拖拉和旋转之类节点和单元不能进行的操作。并且能从已有的基本面、体进行布尔运算，自上而下的建立模型。最重要的，它易于修改，是自适应网格划分（又称为自由网格划分）和区域网格细化所必要的。（2）直接建模：直接由生成节点和单元来建立有限元分析模型，而不需先建立几何模型。这种建模方式只适用于较为简单的模型，用起来比较方便。4 用ANSYS软件对三维100滑炮尾模型进行有限元仿真ANSYS软件本身也带有建模功能，可以直接生成模型，但是此处考虑到模型复杂性，于是选择了SolidWorks三维实体建模，然后以para数据vgeshi作为中介，将模型导入ANSYS程序，然后再进行网格划分等后续分析。5 方案改进由以上分析结果可以总结出：由于炮尾后方开有曲臂槽，因此在火炮发射过程中，对炮尾的强度影响非常大，对强度是一个潜在的威胁。倘若长期使用，此处最容易发生裂纹。特别是将这种后方开曲臂槽的炮尾用于坦克炮和自行炮上时，这一点应当特别重视。从力学角度考虑，倘若在满足设计需求条件下，将炮尾的曲臂槽开在炮尾的前方较为理想，不过次设计要 整体改动炮尾各零件布局，改动工作量相对比较大。在本设计中更是力所不能及。还有一种方法是改变炮尾其他部分的结构形式来减小这一威胁。 结论随着现代科学技术和战争理论的不断进步与发展，滑膛炮在现代武器的发展舞台上的地位也随之不断地提升，越来越受各国的青睐。本设计的主要内容是针对100mm滑膛炮炮尾在极限受力时候的应力分布情况进行分析，从而了解该类型炮尾的结构特点和数据特点，并针对其结构缺陷进行优化设计。具体的设计思路是使用SolidWorks软件对滑膛炮炮尾进行三维实体建模；再以Para数据格式作为中介，将炮尾实体模型导入ANSYS有限元分析软件中，用ANSYS软件对其进行静态结构应力分析，得到炮尾在极限压力下的应力云图；最后通过分析应力云图，了解该炮尾结构的应力分布特点。经验证，通过哦软件分析得到的结果与实际情况基本相符合。接着，便可在该分析的基础上，以分析结