击发弹簧的性能分析与改进

击发弹簧的性能分析与改进

1击发弹簧可靠性分析弹簧是一种使用材料弹性工作的机械零件。弹簧的主要功能是储存和释放能量。击发弹簧是枪械结构中的重要组成部件，子弹上膛后，在扳机的作用下，击发是弹簧带动击锤运动，击锤敲击撞针，子弹出膛击发过程的性能受击发弹簧可靠性的影响较大。击发弹簧是一种异形弹簧，两端勾环偏心设置，勾环的轴线相互垂直，在实际工作中不仅存在拉力，而且受弯矩作用，从而使击发弹簧的应力构成相对复杂，需要对该异形击发弹簧进行可靠性分析。以往对弹簧的静强度和疲劳强度进行可靠性研究，多数以压缩弹簧为主，仅有少部分以拉伸弹簧为研究对象。笔者以异形击发弹簧为研究对象，应用HyperMesh和ANSYS软件联合仿真，研究异形击发弹簧在静载荷作用下的垂向刚度和应力2拉伸弹簧刚度的计算异形击发弹簧材料采用SW-B钢，属性见表1。根据GB/T23935—2009《圆柱螺旋弹簧设计计算》，拉伸弹簧的刚度计算与压缩弹簧一致圆柱螺旋弹簧的垂向刚度K式中:G为材料剪切模量，G=77.0GPa;d为簧丝直径;D为弹簧中径;n为弹簧总圈数，n=11.75。计算得到垂向刚度K3弹簧曲式应力的校核异形击发弹簧勾环结构如图2所示。异形击发弹簧在受到拉伸负荷时，勾环与工作簧连接处的A、B两个位置将承受较大的弯曲应力和剪切应力，异形击发弹簧容易在该区域断裂。因此，需要对A、B两个位置的应力进行强度校核。A位置的弯曲应力σB位置的剪切应力τ式中:r计算得σ异形击发弹簧在垂向力的作用下，勾环与工作簧连接处的剪切应力最大，弹簧在仅受轴向力作用下的截面切应力τ式中:K为曲度因数。计算得到τ勾环连接处的剪切应力τ由于r4anasas软件模拟建立利用CATIA软件与HyperMesh软件之间可以相互传递模型的特点，将模型导入HyperMesh软件进行前处理。针对异形击发弹簧结构进行合理的模型简化和实体分割。网格划分时，均采用六面体网格，网格类型为Solid185。离散后，模型共有41632个网格单元、53382个单元节点，网格单元最小尺寸为0.0596mm。在对异形击发弹簧进行可靠性分析前，需要对模型进行工况加载。结合实际试验工况及仿真可行性，异形击发弹簧一端与枪体连接，另一端通过滑块与扳机联动，因此，在异形击发弹簧一端偏心圆勾环处施加全约束，在另一端勾环处施加垂向最大载荷12.44N将设置完成的模型导入ANSYS软件进行后处理计算，异形击发弹簧轴向位移云图如图5所示。由图5可知，异形击发弹簧在静载荷作用下沿轴向方向的最大位移拉伸量S为10.201mm。根据胡克定律，异形击发弹簧的垂向刚度K计算得到异形击发弹簧的垂向刚度K在计算异形击发弹簧剪切应力时，采取同样的建模方法，在ANSYS软件中进行仿真计算，计算结果如图6、图7所示。由图6、图7可以看出，异形击发弹簧的最大剪切应力为2098.59MPa，出现在勾环与工作簧连接处附近，该值大于A、B两位置的剪切应力值，且与异形击发弹簧的最大截面切应力理论值1075.92MPa相差95.1%，两者相差较大。因异形击发弹簧实际结构与标准GB/T23935—2009中定义的拉伸弹簧并不一致，因此可以认为标准中拉伸弹簧剪切应力计算公式不适用于异形击发弹簧的剪切应力计算，需要对剪切应力计算做进一步修正。该异形击发弹簧的最大剪切应力超过了材料的强度极限，不满足材料的强度要求，需要对异形击发弹簧结构做改进。5发弹簧改进前后刚度对比因原异形击发弹簧结构不满足材料强度要求，将异形击发弹簧簧丝直径加粗至0.6mm，其余参数不变。改进后异形击发弹簧有限元模型如图8所示。在HyperMesh软件中对模型采取与上述一致的离散形式。离散后模型共包含66304个节点、53235个单元。改进后异形击发弹簧的网格划分模型如图9所示。改进后异形击发弹簧加载工况与前述工况一致，即在异形击发弹簧一端勾环处施加全约束，在另一端勾环处施加垂向最大载荷12.44N。将设置好后处理条件的模型导入ANSYS软件进行计算，改进后异形击发弹簧的剪切应力云图如图10、图11所示。根据式(1)计算得到改进后异形击发弹簧理论计算刚度为2.476N/mm。通过有限元仿真得到改进后异形击发弹簧在动态分析过程中最大拉伸量为4.817mm，根据式(8)计算得到改进后异形击发弹簧垂向刚度为2.582N/mm，与理论计算结果偏差4.27%，符合要求。改进后异形击发弹簧A位置的弯曲应力按式(2)计算，得到理论弯曲应力计算值为850.618MPa，由式(4)、式(5)计算得到改进后异形击发弹簧最大截面切应力为647.28MPa。有限元仿真得到改进后异形击发弹簧最大剪切应力为1403.19MPa，与理论计算结果相差116.8%，说明剪切应力计算式并不适用于该异形击发弹簧。此外，在加粗簧丝直径后，异形击发弹簧的最大剪切应力明显小于材料屈服强度极限，说明改进后异形击发弹簧结构更加合理。6第二，该弹簧的应力值GB/T23935—2009中，拉伸弹簧计算公式对应勾环处于簧圈中间位置，而异形击发弹簧为一种异形簧，两端勾环偏心设置，且勾环的轴线互相垂直。两者所受拉力情况相同，但所受力矩相差一倍，且异形击发弹簧所受的力矩是偏心的，在所受拉力相同的情况下，力臂正好是GB/T23935—2009的两倍。因此，修正后异形击发弹簧最大剪切应力计算值为1294.56MPa，与有限元计算结果1403.19MPa相差8.39%。在此基础上，按GB/T23935—2009得到原异形击发弹簧的最大剪切应力理论计算值为1075.92MPa，修正后实际最大剪切应力为2151.84MPa，与图7中最大剪切应力2098.59MPa相差约2.54%，说明修正后剪切应力计算结果与有限元方法计算结果一致。7几何参数修正(1)原异形击发弹簧结构可靠性不足，不满足设计要求。标准中的剪切应力计算公式并不适用于异形击发弹簧的应力计算，需做进一步修正。(2)改进后异形击发弹簧结构可明显减小剪切应力，且垂向刚度满足设计要求。(3)