毕业设计（论文）-122炮大尾舱炮塔结构及零件设计.doc

目录1 绪论11.1 引言11.2 本文研究背景11.3 本文研究内容22 炮塔设计用建模软件及分析基础32.1 概述32.2 建模软件及分析基础33 122mm炮炮塔总体方案分析53.1 概述53.2 炮塔的作用分类分析53.3 炮塔总体设计方案分析64 抗弹能力计算分析84.1 概述84.2 装甲板厚度的计算94.2.1 正前方装甲板厚度的计算94.2.2 侧面和顶面装甲板厚度计算94.3 托架上耳轴孔参数的确定104.3.1 托架受力模型简化104.3.2 耳轴孔参数确定114.4 本章小结115 塔体强度计算分析125.1 概述125.2 分析前处理125.2.1 建立三维炮塔模型125.2.2 炮塔受力模型简化135.2.2.1 约束条件的处理135.2.2.2 载荷的施加135.3 炮塔静力分析方案145.3.1 概述145.3.2 0射角时炮塔静态强度分析155.3.3 60射角时炮塔静态强度分析195.4 本章小结226 炮塔结构设计及指挥塔零部件设计236.1 大尾舱炮塔的结构设计236.1.1 大尾舱炮塔设计的参考原则：236.1.2 大尾舱炮塔体装配关系确定方法：236.1.2.1 装甲板参数246.1.2.2 托架参数246.1.2.3 炮塔的内部空间参数256.2 指挥塔零部件设计276.2.1 指挥塔的设计参考原则276.2.2 指挥塔装配关系确定方法276.2.3 附属机构的设计296.3 本章小结317 系统重量设计计算327.1 总炮塔的质量特性327.2 各零部件质量汇总338 本方案结构优缺点分析348.1 结构工艺性优缺点分析348.2 结构方面优缺点分析359 结论36参考文献37致谢38第 17 页 共 页1 绪论1.1 引言自行火炮在射击过程中，底盘及其上的各种结构部件都要经受发射时强大的冲击载荷作用，因此这些结构部件一定要满足强度设计上的要求，绝对不能出现破坏和失效的现象1。在火炮射击时，炮塔及其上的附属机构受力状况最为复杂，因此，设计一种重量轻，结构合理的薄壁炮塔对于自行火炮战术技术指标的实现至关重要。目前，先采用三维软件进行设计，再运用有限元分析方法对复杂结构进行分析的技术已经十分成熟，在自行火炮结构部件的设计过程中，基于有限元的研究可以及时、有效地对设计参数进行分析、评价和优化。1.2 本文研究背景轮式自行火炮作为当今各国军队一种重要的地面武器装备，它的发展十分迅速，其中炮塔的发展是最重要的一方面。一般的榴弹炮普遍是具有长后坐，较大的后坐阻力，普遍配有炮口制退器，要求的射角也较大，弹丸与药筒分装，弹丸重量较大等特点2。因此炮塔在设计过程中必须要考虑到这些因素。此外，为了满足使用的要求，炮塔上除了发射装置外还需要安装一系列其他设备3，具体如下： 火控装置：火控计算机，传感器(高低、方向、纵倾、横倾) 操瞄装置：自动，半自动，手动(瞄准装置、高低方向转轮) 随动伺服装置：方向，高低 诸元装置：弹道计算机 定位定向导航设备：GPS, SIGMA 炮位显示装置：炮长，瞄准手，装填手等 弹药舱：弹药架，弹药，引信，底火 炮口测速雷达 通信设备：电台，通话器 观察装置：夜视仪，潜望镜 防护：三防装置，抑爆瓶，12.7mm机枪，装甲防护体，空调 身管固定器炮塔在设计过程中必须要满足火炮射击时的各种强度条件，并考虑到上述设备各方面的使用要求，另一方面，保证足够的强度和刚度更不容马虎，因此，合理布置炮塔或选择一个恰当形式的炮塔成为工程技术人员重点要解决的问题。1.3 本文研究内容本文主要是先采用Solid works总体设计大尾舱炮塔，再用Cosmos works 进行炮塔静力强度分析，然后再对设计的参数分析、评价和优化。最终实现对122mm自行火炮的大尾舱炮塔和指挥塔部件的结构设计，并期望设计一种结构合理的大尾舱炮塔。2 炮塔设计用建模软件及分析基础2.1 概述随着CAD，CAE，CAM技术的发展，传统的设计理念正在受到挑战，设计 试验 重新设计，反复循环，不仅浪费材料，还增加了设计成本。相反采用三维CAD软件设计，采用CAE分析强度，采用CAM软件检验装配的合理性，从而加快设计速度。三维软件在虚拟装配方面比传统的Auto cad 具有先天的优越性，通过简单的三维设计，检验装配体的运动干涉性，Solid works 的Cosmos motion 在这方面具有独特的优势，Cosmos works 在有限元方面比ANSYS软件简单易用，受到普通设计者的欢迎。所以炮塔的设计使用三维软件进行方案设计，但是三维软件在工程图转化方面也有缺点，故在具体设计中使用Auto cad补充设计。2.2 建模软件及分析基础Solid works软件是集CAD/CAE/CAM为一体的三维参数化机械产品设计平台。装配的参数化设计方法，使得用户能够数字化地创建和获取三维产品定义。Solid works软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的，Solid works去掉了一些多余的对话框，而以隐含的右键菜单所代替，最明显的是能够将特征管理器沿水平拆分。这使得进行某些特殊命令操作时，如检查装配关系，而不会迷失在特征树的位置。对于大型装配体和复杂零件的操作也非常重要，因为零件复杂以后，特征管理树会很长，有时很难同时观察特征树的最上端和特征树的最下端。有了特征管理器的拆分功能，这一切都成为可能。Solid works软件所有的零件都是建立在草图基础上的，草图功能的提高会直接影响到对零件的可编辑能力的提高。在Solid works中，增加了样条编辑控制功能，当样条处于编辑状态时，一个小三角箭头会出现在样条曲线上。当小符号沿着样条曲线拖动时，箭头的方向会不断改变，以表示各点不同的曲率。当沿着箭头拖动时，样条的曲率会实时改变。这一功能的增加，使得Solid works的用户更加方便地控制零件的形状。经过长足的发展，Solid works具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和工程图设计等功能，还提供了各种插件。Solid works 是当今世界广泛应用的计算机辅助设计，分析和制造软件之一，广泛应用于航空、航天、汽车、机械、造船、消费产品、医疗仪器和工具等领域。Solid works2007软件的机械产品设计模块可以实现炮塔的三维实体造型，Cosmos works分析模块可以实现静态强度，频率等分析。本课题首先在Solid works2007的CAD模块里建立自行火炮炮塔的三维实体模型，然后再将其导入到有限元分析软件中进行模型简化，分析求解、评价和优化，最终实现122炮大尾舱炮塔结构和指挥塔部件的设计。3 122mm炮炮塔总体方案分析3.1 概述炮塔结构的确定因作战要求和所选底盘的不同，在不同装甲车辆上的存在形式也不同，122mm 轮式自行榴弹炮所选的底盘为8X8驱动型式，车内的空间相对6X6驱动型式的底盘较大，采用转动的底板使炮塔内的战斗人员随炮塔转动。122mm 轮式自行榴弹炮属于二线作战武器，直接面对敌目标的机会少，故防护要求仅为枪弹和炮弹破片，兼顾机动性要求，防护钢板可以选用轧制薄装甲板4。3.2 炮塔的作用分类分析首先什么是炮塔？炮塔作为轮式自行火炮的重要部件，一般由厚度不同的装甲钢板焊接而成，其上面存在为安装身管和相关仪器设备的大量孔洞。它可以为车内乘员提供一定的防护，免受小口径弹和炮弹破片的伤害。它通过座圈和车体联结为一个系统，可以绕座圈旋转为火炮射击提供正确的方位角，同时发射时的后坐力传递给整个车体。此外，火炮身管，反后坐装置以及摇架也都要安装在炮塔上5。炮塔的分类：从生产方法看，炮塔主要分为铸造和焊接两种。铸造炮塔：工艺简单、外形、倾斜度和厚度都可以圆滑过渡，较容易用流线的避弹外形满足复杂的需要，但铸造装甲钢不如轧制甲板紧密。焊接炮塔：焊接炮塔是由较多装甲板拼焊而成的多平面的复杂形状。其切割、修磨、机械加工和焊接工作量大，焊缝密集。从结构上又分为如下形式：截圆锥形炮塔，截棱锥形炮塔，半球形炮塔，带平衡舱的炮塔，摇摆炮塔。从所从属的作战武器系统分：坦克炮塔，榴弹炮炮塔，步兵战车单人炮塔，顶置遥控炮塔等6。在自行榴弹炮的发展过程中炮塔的发展是一个最重要的一方面。榴弹炮普遍具有长后坐(800mm )，较大的后坐阻（15KN以上），普遍配有炮口制退器，要求的射角较大(可达70)，弹丸与药筒分装、弹丸重量较大(20 kg以上)等特点。怎样布置炮塔或选择个什么形式的炮塔将会影响到火炮威力的发挥，自行榴弹炮是“二线作战武器”， 直接面对做人的机会很小因此只要炮塔结构能防7.62mm枪弹以及榴弹破片即可 ，但随着威胁的进一步增强，对炮塔的防护要求也进一步增强4。现在采用的是沿袭传统炮塔的回转炮塔结构。这种结构的特点是火炮装于座圈前部上方的炮塔耳轴上，塔内一般有车长、炮长、装填手等成员。优点在于火炮及炮塔内成员一起伴随炮塔转动，从而能使榴弹炮在隐蔽的条件下跟踪目标大角度调炮，迅速转移火力，突然开火；车长位于全车最高部，视野广，便于观察情况；可给予成员与火炮一定的防护，保证成员进行装弹和故障排除。但是也存在不少缺点：炮塔重量大影响机动性与防护性；炮塔体积大， 易受攻击；炮塔回转中心位于座圈中心前部；火炮转动惯量较大，不便于快速调炮及火炮的隐蔽射击7。3.3 炮塔总体设计方案分析鉴于炮塔的特点是孔口多，受力大，需要灵活回转运动，处在最高的暴露位置。一般炮塔都可以周转，塔下有底板供战斗人员使用，座圈与车体相联结，支承条件较差，连接部位多，且要满足总体各方面的需要。炮塔设计时应参考的一些原则：左右塔形基本对称。为使炮塔保持左右平衡，但由于左右内部要求不同，也可能使塔形略有不同。特别是要求位置较高以环视战场的指挥塔会带来一侧的不同高度。塔体前低后高，前小后大。为便于操作，各种装置和设备常布置在战斗乘员之前。指挥塔、出入门和战斗员一般靠后。同时又由于正面防护的需要和便于平衡，炮塔常采取前小后大的形体，或表现为座圈位置靠前，形成前小后大的塔体。塔顶前低后高还由于满足火炮俯角要求和便于向前观察的原因。装甲前厚后薄，下厚上薄。合理分配的装甲厚度是综合考虑防护的需要和倾斜角度的结果。采用轧制装甲和复合装甲能形成不同厚度的级差，而铸造炮塔则是逐渐过度的厚度。前厚后薄是从加强正面抗弹能力出发的，后部与侧部通常同厚。塔高尽量矮小，以满足内部空间要求为限度。内部有三处要求高度：中间是火炮最大俯角所要求的高度，一侧是装填手站立工作所要求的高度，另一侧是为炮长和车长观察方便所要求。这三个高度可以分别处理，但应有适当连续性。其中，车长指挥塔高度是可以单独处理的，但过分突出将成为全车最不安全之处。炮塔设计一般取炮塔回转中心线、塔裙端面和耳轴中心线作为设计尺寸的基准。测绘实验室同型号炮塔体总体尺寸，初步确定的总体设计方案的主要参考尺寸如下：火炮耳轴后炮尾长：1200mm火炮后坐长度：700mm初选座圈节圆直径：2100mm炮框宽度：590mm车体宽度：2800mm耳轴孔到底板下平面距离：400mm炮塔后顶板到地板下平面距离：800mm火炮最小俯角：-5火炮最大仰角：60初选以下参数：炮塔体基本长度：3500mm炮塔体基本宽度：2600mm炮塔体最小回转半径 1350mm0射角时的分析结果如下：0射角时炮塔的正面应力分布和最大应力分布云图如下：（图56 应力分布云图）（图57 应力分布云图）由炮塔的应力分布图可以看出：托架与地板连接处应力集中明显，因为此处托架的厚度25mm，底板的厚度15mm，厚度突变出应力集中与理论吻合。在此处的最大应力为472Mpa，托架与上顶板连接处应力约315Mpa，均不超最大屈服应力800Mpa，顶装甲中部虽然有凸起，但各处应力均满足要求。因为火炮射击时，炮塔受力时间短，受力状态复杂，采用静态强度分析的结果可能不理想，在射击时各种振动和扰动也会对射击精度有一定影响12。如要对炮塔深入研究可以进行屈曲模态分析、动态强度分析等。0射角时炮塔各处的位移图解：（图58 位移分布图）位移最大部位（图59 位移分布图）由上面的位移分布图可以看出最大的位移发生在炮塔的尾部最大的位移为7.47mm，均满足要求，可以看出托架，顶装甲中部均发生很大的位移，可以考虑在焊接完炮塔后在这些部位增设加强筋，以防止过大的变形影响到炮塔内的仪器工作。0射角时安全系数图解：（图510安全系数图）由安全设计向导检查各处的安全系数，最小安全系数1.7满足设计要求，从安全系数云图可以看出托架与四周的装甲板相连处安全系数分布均偏小，在焊接时必须把握好焊接质量。5.3.3 60射角时炮塔静态强度分析施加载荷和约束并划分的网格图如下： （图511载荷和约束状态图） （图512划分的网格图）60射角时的分析结果：60射角时炮塔的正面应力分布和最大应力分布云图如下：（513应力分布云图）8 本方案结构优缺点分析8.1 结构工艺性优缺点分析 炮塔采用焊接结构，其优点是生产率高、结构强度大、寿命长、质量小（不需要连接件）、机械加工量少和密封性好等。但焊缝是经过一个小小的局部冶金过程形成的，焊条与装甲金属熔融，部分碳、硅、锰等元素被烧损，组氮、氧、氢等气体侵入，焊接后的焊缝区为铸态组织，有明显的柱状结晶和杂质偏析，也可能有夹渣和气孔，导致机械性能下降。在焊缝附近的热影响区，温升到临界点以上和随后的冷却，使该区经历一个自身热处理过程，造成性能改变。图81所示出不同硬度装甲焊后的硬度变化。凡是在硬度迅速改变，即曲线倾斜愈陡的区域，就愈容易出现裂纹。焊缝对裂纹的敏感性是高强度装甲钢焊接区别于一股结构钢焊接的特殊之处，这主要是由于温度和收缩应力所致。淬火区与不完全淬火区愈大，脆性愈大，愈容易产生裂纹。高硬度装甲产生裂纹比低硬度装甲的机会多。这就产生防弹性能和焊接性能的矛盾7。（图81装甲焊缝附近的硬度及变化图）各区的具体情况如下：1 马氏体低塑性过热的粗针状 2 正常细针状马氏体 3 不完全淬火去，马氏体与铁素体的混合，强度和韧性都不高 4 低温回火区，索氏体加屈氏体，硬度比原来低 5 回火脆性温度区，韧性有所下降 6 基本金属不受影响区8.2 结构方面优缺点分析炮塔重量大影响机动性与防护性；炮塔体积大，易受攻击；炮塔回转中心位于座圈中心前部；火炮转动惯量较大，不便于快速掉炮及火炮的隐蔽射击。改善自行榴弹炮炮塔的结构主要是考虑采用依托先进的观瞄设备及通讯、控制设备，将炮长、瞄准手转移到车体内，而只在炮塔中保留装填手(装弹手、装药手)，炮塔仍保留回转结构，由于塔内成员的减少， 因此炮塔的形体可大为减小，一方面降低了被发现的概率， 另一方面，可用更多的材料用于装甲防护。对进入车体内的成员，任务与乘座位置相对比较集中，便于进行互换操作与协作，可极大地提高武器系统的性能14。9 结论通过这次122mm炮大尾舱炮塔结构及指挥塔部件的设计，我对设计时参数的关联性有了更深刻的认识，复杂产品的设计过程是一个协调的过程。采用先进的模块化的设计理念可以加快设计速度，因为各个模块的接口分配后，协调的时间少了许多。此外我深刻理解到设计的过程也是一个模拟加工的过程，对加工工艺的了解程度对设计至关重要。此外，采用Solid works设计炮塔这种焊接结构，先整体设计其结构，再利用特征分割功能求解出没一部分的具体结构。对于如炮塔这种结构形状复杂，受力形式复杂，采用有