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機(jī)動(dòng)性在迫擊炮設(shè)計(jì)中是必須考慮的問(wèn)題。為了提高迫擊炮的機(jī)動(dòng)性，設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)減輕其質(zhì)量。然而在減質(zhì)的同時(shí)，就不能不考慮各部件的強(qiáng)度問(wèn)題。對(duì)迫擊炮身管和炮尾進(jìn)行發(fā)射過(guò)程的有限元分析，可以獲得結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱處，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。
分析時(shí)主要考慮身管和炮尾，因此省略迫擊炮中的其他零件，其三維實(shí)體模型如圖所示。根據(jù)身管和炮尾的實(shí)際模型和受力情況，對(duì)分析計(jì)算模型做如下假設(shè)及簡(jiǎn)化：①假設(shè)炮身豎直向上放置，此時(shí)炮尾受力最惡劣，身管不受影響，這樣可以最大限度地驗(yàn)證炮尾的強(qiáng)度；②由于炮尾的尾球與座飯駐臼是球鉸連接，故分析中省略了座飯，而是在炮尾尾球的下半個(gè)球面施加一無(wú)摩擦的支撐約束；③身管和炮尾都是三維軸對(duì)稱的，并受軸對(duì)稱的膛壓作用，因此可以將模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，如圖所示。
傳統(tǒng)的身管分析只考慮身管在最大膛壓作用下的強(qiáng)度，即靜態(tài)分析，分析結(jié)果保守，導(dǎo)致身管偏重。但實(shí)際上不是身管整個(gè)內(nèi)壁面都要承受最大膛壓，而且壓力是隨時(shí)間和彈丸行程變化的。所以身管有限元分析必須要考慮瞬態(tài)效應(yīng)，即考慮身管內(nèi)壁面各部受力的不同。炮尾起著閉鎖炮膛的作用，在整個(gè)內(nèi)彈道過(guò)程中都受膛壓的作用，壓力曲線為完整的內(nèi)彈道p-t曲線，如圖所示。對(duì)于身管來(lái)說(shuō)不是整個(gè)內(nèi)壁面都承受最大膛壓的，隨著彈丸的向前運(yùn)動(dòng)，彈丸前原本不受壓力的壁面也開(kāi)始受壓，如圖所示。考慮身管壁面各部位承受的壓力不同，根據(jù)p-t曲線和p-L曲線將內(nèi)壁面在軸向分為22段，壓力分段施加。彈丸尾部的身管壁面在整個(gè)內(nèi)彈道過(guò)程中都受壓，壓力曲線為完整的內(nèi)彈道p-t曲線。以時(shí)間軸來(lái)看，各個(gè)壁面承受的壓力為部分內(nèi)彈道膛壓曲線，部分壁面和相對(duì)應(yīng)的壓力如圖所示。
在施加完載荷和約束后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，繼而進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示：在整個(gè)發(fā)射過(guò)程中，身管的最大應(yīng)力為351.85 MPa，發(fā)生在t=1.8 ms；炮尾的最大應(yīng)力為637.99 MPa，發(fā)生在t=1.9 ms，出現(xiàn)在炮尾的過(guò)渡圓弧處。迫擊炮身管和炮尾的材料均為15Cr，強(qiáng)度極限在500 MPa左右，可見(jiàn)炮尾圓弧處的強(qiáng)度不夠，因此加大炮尾過(guò)渡圓弧處的圓角。改進(jìn)后重新計(jì)算，結(jié)果顯示：在整個(gè)發(fā)射過(guò)程中，身管的最大應(yīng)力為351.87 MPa，發(fā)生在t=1.8 ms，變化不大；炮尾的最大應(yīng)力為471.26 MPa,發(fā)生在t=1.9 ms，強(qiáng)度滿足要求。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖，最大應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖。
在考慮膛壁壓力時(shí)，通過(guò)對(duì)身管和炮尾的有限元分析，能更具體地分析膛內(nèi)壓力的變化情況。通過(guò)此模型可以獲得身管和炮尾的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而能更好地對(duì)其結(jié)構(gòu)薄弱處進(jìn)行改進(jìn)。
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