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機動性在迫擊炮設(shè)計中是必須考慮的問題。為了提高迫擊炮的機動性，設(shè)計時往往會對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化來減輕其質(zhì)量。然而在減質(zhì)的同時，就不能不考慮各部件的強度問題。對迫擊炮身管和炮尾進行發(fā)射過程的有限元分析，可以獲得結(jié)構(gòu)的強度，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱處，并對其進行改進。
分析時主要考慮身管和炮尾，因此省略迫擊炮中的其他零件，其三維實體模型如圖所示。根據(jù)身管和炮尾的實際模型和受力情況，對分析計算模型做如下假設(shè)及簡化：①假設(shè)炮身豎直向上放置，此時炮尾受力最惡劣，身管不受影響，這樣可以最大限度地驗證炮尾的強度；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球面施加一無摩擦的支撐約束；③身管和炮尾都是三維軸對稱的，并受軸對稱的膛壓作用，因此可以將模型簡化為二維軸對稱模型，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度，即靜態(tài)分析，分析結(jié)果保守，導(dǎo)致身管偏重。但實際上不是身管整個內(nèi)壁面都要承受最大膛壓，而且壓力是隨時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，在整個內(nèi)彈道過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。對于身管來說不是整個內(nèi)壁面都承受最大膛壓的，隨著彈丸的向前運動，彈丸前原本不受壓力的壁面也開始受壓，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內(nèi)彈道過程中都受壓，壓力曲線為完整的內(nèi)彈道p-t曲線。以時間軸來看，各個壁面承受的壓力為部分內(nèi)彈道膛壓曲線，部分壁面和相對應(yīng)的壓力如圖所示。
在施加完載荷和約束后，進行網(wǎng)格劃分，繼而進行計算。計算結(jié)果顯示：在整個發(fā)射過程中，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)在炮尾的過渡圓弧處。迫擊炮身管和炮尾的材料均為15Cr，強度極限在500 MPa左右，可見炮尾圓弧處的強度不夠，因此加大炮尾過渡圓弧處的圓角。改進后重新計算，結(jié)果顯示：在整個發(fā)射過程中，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，強度滿足要求。結(jié)構(gòu)改進后的應(yīng)力云圖見圖，最大應(yīng)力隨時間變化曲線見圖。
在考慮膛壁壓力時，通過對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。通過此模型可以獲得身管和炮尾的結(jié)構(gòu)強度，從而能更好地對其結(jié)構(gòu)薄弱處進行改進。
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