火炮炮闩摇臂的疲劳分析及结构优化(附件)
火炮是现代战争中必不可少的装备之一，炮闩是火炮的重要部件，它的结构很大程度上决定火炮的性能。而摇臂作为炮闩的主要零件之一，其性能好坏将在很大程度上决定炮闩的可靠性。本文针对炮闩摇臂可能出现的问题进行疲劳分析和结构优化。主要的工作是：对超高压瞬态炮闩机构抽壳系统的工作原理进行了分析。对炮闩摇臂进行了受力分析。应用ABAQUS软件对摇臂进行静强度分析。应用FEMFAT软件对摇臂进行疲劳分析。应用Hyperworks软件对摇臂进行拓扑优化设计。最后把优化后的结果与优化前的结果进行对比分析，得出摇臂优化后工作时所受的最大应力下降19.6%，低于军用材料PCrNi3MoA的屈服极限；优化后疲劳损伤减小了350倍，摇臂质量下降3.9%。优化后的摇臂大大提高了火炮炮闩的安全性，同时使得材料的分布更加合理,并达到了减轻重量的目的。关键词：炮闩摇臂；网格划分；静强度分析；疲劳分析；拓扑优化目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状及存在的问题 1
1.3 本文主要研究内容 2
1.4 本章小结 2
第二章 炮闩摇臂的分析 3
2.1 超高压瞬态炮闩机构抽壳系统的工作原理 3
2.1.1 火炮炮闩的简介 3
2.1.2 火炮炮闩的工作原理 3
2.2 炮闩摇臂的受力分析 4
2.3 摇臂的有限元模型建立及网格划分 5
2.3.1 摇臂的模型建立 5
2.3.2 模型的网格划分 6
2.4本章小结 9
第三章 摇臂的有限元分析 10
3.1 ABAQUS软件简介 10
3.2摇臂的有限元分析 10
3.2.1材料属性 10
3.2.2设置分析步 12
3.2.3边界条件和载荷 13
3.2.4创建并提交分析作业 14
3.3本章小结 15
第四章 炮闩摇臂的疲劳分析 16
4.1 疲劳分析FEMFAT软件简介 16
4.2.1 有限元实体 16
4.2.2 给模型赋予参数 17
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料属性 10
3.2.2设置分析步 12
3.2.3边界条件和载荷 13
3.2.4创建并提交分析作业 14
3.3本章小结 15
第四章 炮闩摇臂的疲劳分析 16
4.1 疲劳分析FEMFAT软件简介 16
4.2.1 有限元实体 16
4.2.2 给模型赋予参数 17
4.2.3 载荷谱 17
4.2.4 分析和得出结果 19
4.3本章小结 19
第五章 炮闩摇臂的结构优化 20
5.1结构优化软件Hyperworks简介 20
5.2 摇臂静力学分析 20
5.2.1 材料属性设置 20
5.2.2 摇臂工况的设置 22
5.2.3 有限元分析结果 23
5.3摇臂的拓扑优化 23
5.3.1 拓扑优化简介 23
5.3.2 拓扑优化三要素 24
5.3.3 摇臂的拓扑优化分析 24
5.4对优化后的摇臂校核 26
5.5本章小结 29
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 课题的目的和意义
随着科技的发展，现代武器更新换代的速度是越来越快。21世纪以来，随着各种现代武器的不断问世，享誉“战争之神”的火炮虽然任然深受世界各国的喜爱，但是它的地位受到导弹等各种精确制导武器的挑战。因此，对于火炮的研发和改进我们一刻都不能停下，前面的路是任重而道远的。炮闩作为火炮关键组件之一，它的性能好坏将直接决定火炮威力能否正常发挥。据统计，炮闩故障率要占到全炮故障的30%以上[1]。摇臂作为炮闩的主要零件之一，在工作中可能会出现变形、断裂，未能达到设计要求。这就需要对摇臂的疲劳特性进行研究分析，最后再进行结构优化。从而减小炮闩的故障发生率，提高火炮的安全性。
1.2 国内外研究现状及存在的问题
随着科技的发展和新技术的大量应用，火炮的研究也是越发的深入。精准的射击目标、相当杀伤力和各种复杂环境的影响都需要火炮有一个精准的动力学分析做参考[2]。发展到现在，火炮动力学已发展成为一门学科[3]，深受世界各国的重视，并且已经做出了大量的理论和实验工作。
在火炮刚刚问世的时候，由于科技不是很发达，各种研究技术不是很先进，火炮的研究设计主要依赖工程师的主观经验和已有的设计规范[4]。火炮的研究方法都是采用传统的试错方法，这种试错的方法不仅花的经费多、研究的周期长、而且得到结果的精度也不是特别高，尤其是面对各种复杂新型结构、新材料和新工艺时，这种试错方法的误差更大，精度和安全性更低，浪费的资源更多，物理样机的试制次数更多。随着科学的发展，计算机技术和先进计算方法应运而生，它们的问世使得各种炮闩机构的复杂的力学特性得到很好的解决。与传统的设计手段来比较会发现，它具有效率高、成本低、精度高、能模拟复杂情况等优点，可以解决很多传统方法不能解决的问题。由于火炮是军工产品，各零部件在网上的资料有限，我们对它的研究现状不是很了解。
在2011年江苏科技大学徐耀春的论文《舰炮抽壳系统非线性结构动力学分析》 [5]中运用有限元分析软件ABAQUS对模型进行静力学分析研究,得出了火炮炮闩抽壳系统的应力分布规律，对磨损前后的炮闩摇臂的抽壳系统的动态特性进行了比较分析，研究了摇臂磨损后对抽壳速度和抽壳系统能量的一些影响，并且针对抽筒子的塑性变形问题对抽壳系统中的摇臂进行优化设计，使得抽筒子的塑性变形问题得到很好的解决，也得到了摇臂厚度的最佳分配方案；最后，通过科学实验和实际应用证明了有限元模型分析的合理性和正确性。
在2011年武汉理工大学陈帅的论文《柴油机油底壳疲劳分析、寿命预测与优化设计方法的研究》[6]中利用ADAMS软件, 采用模态叠加的方法对柴油机机体底壳的组合模型进行了动应力计算和分析。在这篇论文中主要的工作包括了三维几何建模，有限元模型的分析和计算，多体动力学仿真和研究等。通过这些研究和分析，我们得到了较为准确的机体底壳的动应力（动载荷），为后面的疲劳分析和寿命预测做好了充分的准备。通过对机体底壳进行动应力的测试分析，得出的结果与理论计算的结果进行对比，完善机体底壳的有限元模型。应用疲劳分析软件对柴油机底壳进行疲劳分析，根据前面的分析和计算设置疲劳分析中的载荷谱和疲劳特性，得出疲劳分析结果，预测疲劳寿命。最后，应用Hyperworks软件中的Optistruct模块对机体底壳进行拓扑优化和尺寸优化，在疲劳寿命允许的前提下尽可能的减轻柴油机机体底壳的组合模型结构重量，减少材料的浪费，降低零件的成本，以提高其经济性。
1.3 本文主要研究内容
1.通过学习超高压瞬态炮闩机构相关知识，分析超高压瞬态炮闩机构抽壳系统的工作原理，并应用所学理论知识完成炮闩摇臂的受力分析。为下面的软件分析和设计做准备。
本设计主要是以FEMFAT软件进行疲劳分析，以Hyp
第一章 绪论 1
1.1 课题的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状及存在的问题 1
1.3 本文主要研究内容 2
1.4 本章小结 2
第二章 炮闩摇臂的分析 3
2.1 超高压瞬态炮闩机构抽壳系统的工作原理 3
2.1.1 火炮炮闩的简介 3
2.1.2 火炮炮闩的工作原理 3
2.2 炮闩摇臂的受力分析 4
2.3 摇臂的有限元模型建立及网格划分 5
2.3.1 摇臂的模型建立 5
2.3.2 模型的网格划分 6
2.4本章小结 9
第三章 摇臂的有限元分析 10
3.1 ABAQUS软件简介 10
3.2摇臂的有限元分析 10
3.2.1材料属性 10
3.2.2设置分析步 12
3.2.3边界条件和载荷 13
3.2.4创建并提交分析作业 14
3.3本章小结 15
第四章 炮闩摇臂的疲劳分析 16
4.1 疲劳分析FEMFAT软件简介 16
4.2.1 有限元实体 16
4.2.2 给模型赋予参数 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
料属性 10
3.2.2设置分析步 12
3.2.3边界条件和载荷 13
3.2.4创建并提交分析作业 14
3.3本章小结 15
第四章 炮闩摇臂的疲劳分析 16
4.1 疲劳分析FEMFAT软件简介 16
4.2.1 有限元实体 16
4.2.2 给模型赋予参数 17
4.2.3 载荷谱 17
4.2.4 分析和得出结果 19
4.3本章小结 19
第五章 炮闩摇臂的结构优化 20
5.1结构优化软件Hyperworks简介 20
5.2 摇臂静力学分析 20
5.2.1 材料属性设置 20
5.2.2 摇臂工况的设置 22
5.2.3 有限元分析结果 23
5.3摇臂的拓扑优化 23
5.3.1 拓扑优化简介 23
5.3.2 拓扑优化三要素 24
5.3.3 摇臂的拓扑优化分析 24
5.4对优化后的摇臂校核 26
5.5本章小结 29
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 课题的目的和意义
随着科技的发展，现代武器更新换代的速度是越来越快。21世纪以来，随着各种现代武器的不断问世，享誉“战争之神”的火炮虽然任然深受世界各国的喜爱，但是它的地位受到导弹等各种精确制导武器的挑战。因此，对于火炮的研发和改进我们一刻都不能停下，前面的路是任重而道远的。炮闩作为火炮关键组件之一，它的性能好坏将直接决定火炮威力能否正常发挥。据统计，炮闩故障率要占到全炮故障的30%以上[1]。摇臂作为炮闩的主要零件之一，在工作中可能会出现变形、断裂，未能达到设计要求。这就需要对摇臂的疲劳特性进行研究分析，最后再进行结构优化。从而减小炮闩的故障发生率，提高火炮的安全性。
1.2 国内外研究现状及存在的问题
随着科技的发展和新技术的大量应用，火炮的研究也是越发的深入。精准的射击目标、相当杀伤力和各种复杂环境的影响都需要火炮有一个精准的动力学分析做参考[2]。发展到现在，火炮动力学已发展成为一门学科[3]，深受世界各国的重视，并且已经做出了大量的理论和实验工作。
在火炮刚刚问世的时候，由于科技不是很发达，各种研究技术不是很先进，火炮的研究设计主要依赖工程师的主观经验和已有的设计规范[4]。火炮的研究方法都是采用传统的试错方法，这种试错的方法不仅花的经费多、研究的周期长、而且得到结果的精度也不是特别高，尤其是面对各种复杂新型结构、新材料和新工艺时，这种试错方法的误差更大，精度和安全性更低，浪费的资源更多，物理样机的试制次数更多。随着科学的发展，计算机技术和先进计算方法应运而生，它们的问世使得各种炮闩机构的复杂的力学特性得到很好的解决。与传统的设计手段来比较会发现，它具有效率高、成本低、精度高、能模拟复杂情况等优点，可以解决很多传统方法不能解决的问题。由于火炮是军工产品，各零部件在网上的资料有限，我们对它的研究现状不是很了解。
在2011年江苏科技大学徐耀春的论文《舰炮抽壳系统非线性结构动力学分析》 [5]中运用有限元分析软件ABAQUS对模型进行静力学分析研究,得出了火炮炮闩抽壳系统的应力分布规律，对磨损前后的炮闩摇臂的抽壳系统的动态特性进行了比较分析，研究了摇臂磨损后对抽壳速度和抽壳系统能量的一些影响，并且针对抽筒子的塑性变形问题对抽壳系统中的摇臂进行优化设计，使得抽筒子的塑性变形问题得到很好的解决，也得到了摇臂厚度的最佳分配方案；最后，通过科学实验和实际应用证明了有限元模型分析的合理性和正确性。
在2011年武汉理工大学陈帅的论文《柴油机油底壳疲劳分析、寿命预测与优化设计方法的研究》[6]中利用ADAMS软件, 采用模态叠加的方法对柴油机机体底壳的组合模型进行了动应力计算和分析。在这篇论文中主要的工作包括了三维几何建模，有限元模型的分析和计算，多体动力学仿真和研究等。通过这些研究和分析，我们得到了较为准确的机体底壳的动应力（动载荷），为后面的疲劳分析和寿命预测做好了充分的准备。通过对机体底壳进行动应力的测试分析，得出的结果与理论计算的结果进行对比，完善机体底壳的有限元模型。应用疲劳分析软件对柴油机底壳进行疲劳分析，根据前面的分析和计算设置疲劳分析中的载荷谱和疲劳特性，得出疲劳分析结果，预测疲劳寿命。最后，应用Hyperworks软件中的Optistruct模块对机体底壳进行拓扑优化和尺寸优化，在疲劳寿命允许的前提下尽可能的减轻柴油机机体底壳的组合模型结构重量，减少材料的浪费，降低零件的成本，以提高其经济性。
1.3 本文主要研究内容
1.通过学习超高压瞬态炮闩机构相关知识，分析超高压瞬态炮闩机构抽壳系统的工作原理，并应用所学理论知识完成炮闩摇臂的受力分析。为下面的软件分析和设计做准备。
本设计主要是以FEMFAT软件进行疲劳分析，以Hyp
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