某榴彈發(fā)射器槍管瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合分析

王 菲，廖振強(qiáng)，馮海星

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

某榴彈發(fā)射器槍管瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合分析

王 菲，廖振強(qiáng)，馮海星

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

為了提高自動(dòng)武器的使用性能，尋求降低膛壁溫度的方法，簡(jiǎn)介了傳熱機(jī)理，并運(yùn)用ANSYS軟件建立了槍管二維軸對(duì)稱有限元模型，確定槍管的邊界條件，得到了單發(fā)時(shí)槍管的溫度分布和連發(fā)時(shí)的溫度及應(yīng)力分布，并對(duì)槍管的溫度場(chǎng)和應(yīng)力進(jìn)行了研究。然后對(duì)槍管在溫度場(chǎng)、耦合場(chǎng)及膛壓作用下的應(yīng)力進(jìn)行了比較。研究結(jié)果對(duì)槍管設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

槍管；有限元；溫度場(chǎng)；耦合場(chǎng)

槍管是槍械的基本構(gòu)件。因?yàn)樯鋼魰r(shí)槍管要承受火藥燃?xì)庾饔?，所以槍管?yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度、韌性和耐燒蝕能力。武器射擊過(guò)程中的槍管發(fā)熱會(huì)不同程度地影響武器作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。不同的傳熱條件使武器的彈道性能發(fā)生變化，當(dāng)環(huán)境溫度高時(shí)，初速、膛壓要增大，反之亦然。身管發(fā)熱后將發(fā)生不同程度的變形、彎曲和磨損，這些都會(huì)影響武器的精度[1]。為了提高武器的使用性能，就必須研究膛內(nèi)傳熱機(jī)理，找出降低膛內(nèi)溫度的方法。

1 傳熱學(xué)基本理論

只要有溫差存在，就會(huì)有熱量自發(fā)地從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域，其傳熱方式有3種：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射[2]。

a.傳導(dǎo)，或稱導(dǎo)熱。傳導(dǎo)是指導(dǎo)熱物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)互相直接接觸，或不同物體直接接觸，因組成該物體的各物質(zhì)的原子、分子和自由電子的額外運(yùn)動(dòng)而引起的能量交換。

身管內(nèi)壁的熱量傳給身管的外壁屬于熱傳導(dǎo)。

b.對(duì)流。對(duì)流換熱是指一種依靠流體的運(yùn)動(dòng)把熱量由高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域的傳熱方式。身管外壁與周圍空氣的換熱屬于這一類型。

對(duì)流換熱分為自然對(duì)流換熱及強(qiáng)制對(duì)流換熱。火藥氣體與內(nèi)壁面的換熱主要屬于后者。氣體與身管壁的接觸亦伴有熱傳導(dǎo)。

c.輻射。輻射換熱是物質(zhì)在高溫狀態(tài)下依靠電磁波發(fā)射能量的過(guò)程，同時(shí)伴有能量轉(zhuǎn)換。

高溫火藥氣體會(huì)對(duì)外熱輻射，高溫的身管壁也會(huì)對(duì)外熱輻射，因此在研究武器的傳熱時(shí)需要考慮這一因素。

在實(shí)際的換熱過(guò)程中，這3種換熱方式不是孤立存在的，熱量的傳遞過(guò)程很復(fù)雜，往往是復(fù)合換熱。

2 槍管射擊過(guò)程中的傳熱理論

彈丸發(fā)射時(shí)火藥燃?xì)獾臏囟葧?huì)使身管溫度升高，會(huì)對(duì)管壁溫度、槍管剛度及內(nèi)膛強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，在進(jìn)行槍管強(qiáng)度設(shè)計(jì)之前應(yīng)先了解管壁的溫度情況[3]。

a.槍管溫度近似計(jì)算公式。

槍管溫度場(chǎng)的計(jì)算較復(fù)雜，常把管壁內(nèi)的熱傳導(dǎo)問(wèn)題簡(jiǎn)化為一維不穩(wěn)定的導(dǎo)熱問(wèn)題。這樣便得到槍管內(nèi)壁一維徑向傳熱控制微分方程，即目前常用的光滑圓管一維非定常公式。

(1)

式中：T為槍管內(nèi)壁溫度，K；t為時(shí)間，s；r為槍管內(nèi)壁某點(diǎn)與槍管對(duì)稱軸之間的距離，m；α為槍管內(nèi)壁導(dǎo)熱系數(shù)，m2/s。

b.單發(fā)射擊時(shí)管壁的溫度狀況。

單發(fā)射擊時(shí)，因槍管內(nèi)壁從火藥燃?xì)庵蝎@取熱量的時(shí)間極短，使槍管發(fā)熱的能量有限。但由于獲取熱量的時(shí)間極短，槍管內(nèi)壁獲得的熱量來(lái)不及向外傳遞，這可使內(nèi)壁面金屬層溫度驟高。停止射擊時(shí)內(nèi)壁獲取的熱量一部分在膛內(nèi)散失，一部分向外壁層傳遞并很快衰減。

c.連發(fā)射擊時(shí)管壁的溫度狀況。

熱作用和彈丸的擠壓作用對(duì)槍管內(nèi)表面的強(qiáng)度影響很大。若反復(fù)多次作用在槍管上將使槍管尺寸和幾何形狀發(fā)生變化，從而引起射擊時(shí)彈丸初速和精度的下降。

連續(xù)射擊時(shí)槍管壁溫度場(chǎng)是由各發(fā)形成的溫度場(chǎng)相加所得，即

(2)

式中：T0為管壁上某點(diǎn)的初溫；Ti為射擊一發(fā)時(shí)管壁溫度的升高量；n為連續(xù)射擊時(shí)的槍彈發(fā)數(shù)。

3 槍管的有限元分析

3.1槍管有限元模型的建立

假設(shè)槍管是長(zhǎng)度為350mm，內(nèi)徑為40mm，外徑為55mm的空心圓柱，可將槍管根據(jù)尺寸簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型來(lái)進(jìn)行分析。

槍管的材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。在ANSYS中劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖1所示。

3.2邊界條件的確定

內(nèi)邊界條件：

表1 槍管的材料性能參數(shù)

圖1 槍管的有限元模型

(3)

外邊界條件：

(4)

式中：λ為槍管內(nèi)壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；r0，R分別為槍管的內(nèi)、外半徑，m；Tg，T0分別為內(nèi)壁火藥氣體溫度及外壁環(huán)境溫度，K；h1，h2分別為膛內(nèi)氣體及周圍環(huán)境與槍管內(nèi)、外表面的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

3.3計(jì)算結(jié)果分析

在槍管上沿軸向選取6個(gè)截面上的36個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析討論，截面上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置見(jiàn)表2。

表2 槍管沿軸向6個(gè)截面選取點(diǎn)的代號(hào)及含義

3.3.1瞬態(tài)溫度場(chǎng)結(jié)果分析

將溫度載荷施加到槍管模型上，分別進(jìn)行單發(fā)射擊和射頻為0.15s/發(fā)的連發(fā)5發(fā)射擊并計(jì)算。

a.單發(fā)射擊結(jié)果分析。

計(jì)算得到單發(fā)射擊時(shí)身管上6個(gè)內(nèi)壁點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線，如圖2所示。從身管底部到膛口，每個(gè)內(nèi)壁點(diǎn)所經(jīng)歷火藥燃?xì)獾臏囟群蜁r(shí)間不同，所以內(nèi)壁點(diǎn)溫度峰值逐漸減小。從圖2可以看出,點(diǎn)A1的溫度值明顯高于B1，C1，D1，E1，F(xiàn)1等內(nèi)壁點(diǎn)的溫度值，因此以A截面為例，來(lái)分析槍管徑向截面溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

同時(shí)，槍管外壁的溫度隨時(shí)間逐步升高，但從身管底部到槍口，外壁點(diǎn)溫度的升高幅度逐步降低，如圖3所示。

圖4是由ANSYS計(jì)算得到的槍管A截面徑向溫度時(shí)間曲線。從圖中可以看出，隨著距槍管內(nèi)壁距離的增加，各點(diǎn)溫度變化逐漸趨于平緩。

b.連發(fā)射擊結(jié)果分析。

圖2 槍管內(nèi)壁點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線

圖3 槍管外壁點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線

圖4 槍管A截面徑向溫度時(shí)間曲線

計(jì)算得到連發(fā)時(shí)槍管上6個(gè)內(nèi)、外壁點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線，分別如圖5和圖6所示。身管內(nèi)壁的溫度隨時(shí)間推移成脈沖式變化，隨著擊發(fā)數(shù)的增加，溫度幅值變大，但增加幅度逐步降低。槍管外壁的溫度隨著時(shí)間逐步升高，但從身管底部到槍口，溫度的升高幅度逐步變小。

從圖7可以看出，同一位置點(diǎn)的溫度及溫度梯度隨時(shí)間逐漸上升，槍管壁中的溫度及溫度梯度從內(nèi)到外急劇衰減；越接近內(nèi)壁的點(diǎn)，脈沖式上升現(xiàn)象越明顯、脈沖幅值越大；越遠(yuǎn)離內(nèi)壁的點(diǎn)，溫度及溫度梯度上升越平緩。

圖5 槍管內(nèi)壁點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線

圖6 槍管外壁點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線

圖7 連發(fā)時(shí)槍管A截面的溫度時(shí)間曲線

3.3.2瞬態(tài)熱應(yīng)力及耦合場(chǎng)應(yīng)力結(jié)果分析

計(jì)算得到連發(fā)時(shí)溫度場(chǎng)作用下及耦合場(chǎng)作用下內(nèi)壁點(diǎn)A1的應(yīng)力時(shí)間曲線，分別如圖8和圖9所示。槍管內(nèi)壁點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間推移成脈沖式變化，隨著擊發(fā)數(shù)的增加，最大應(yīng)力幅值增加，但增加幅度逐步降低。

3.3.3膛壓作用下應(yīng)力結(jié)果分析

計(jì)算得到連發(fā)時(shí)僅在膛壓作用下內(nèi)壁點(diǎn)A1的應(yīng)力時(shí)間曲線，如圖10所示。槍管內(nèi)壁點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間成脈沖式變化，隨著擊發(fā)數(shù)的增加，最大應(yīng)力幅值基本保持不變。

圖8 溫度場(chǎng)作用下A1點(diǎn)的熱應(yīng)力時(shí)間曲線

圖9 耦合場(chǎng)作用下A1點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間曲線

連發(fā)射擊過(guò)程中，槍管內(nèi)壁點(diǎn)各工況下的最大應(yīng)力值見(jiàn)表3。

表3 槍管內(nèi)壁點(diǎn)各工況下的最大應(yīng)力值

圖10 膛壓作用下A1點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間曲線

對(duì)比表3數(shù)據(jù)可得，在射擊過(guò)程中，槍管在耦合場(chǎng)作用下產(chǎn)生的耦合應(yīng)力與在溫度場(chǎng)作用下產(chǎn)生的熱應(yīng)力值接近，而在溫度場(chǎng)作用下的熱應(yīng)力要比在膛壓作用下的應(yīng)力大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文考察了槍管的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)槍管在溫度場(chǎng)、耦合場(chǎng)及膛壓作用下的應(yīng)力進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在發(fā)射過(guò)程中，距槍管內(nèi)壁越近的地方升溫越快，熱作用影響越大。在連續(xù)射擊時(shí)，熱作用是槍管內(nèi)壁應(yīng)力的主要來(lái)源，也是槍管破損的主要原因。因此進(jìn)行槍管設(shè)計(jì)時(shí)，在保證槍管結(jié)構(gòu)性能不下降的前提下，應(yīng)盡可能提高其散熱性能。研究結(jié)果能為以后進(jìn)一步研究槍管性能提供一定的指導(dǎo)。

[1] 陸家鵬.自動(dòng)武器學(xué)(氣體動(dòng)力學(xué)分冊(cè))[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1988:147-149.

[2] 王普法,陳柏飛.武器傳熱學(xué)[M].北京：機(jī)械委兵工教材編審室，1987.

[3] 歐學(xué)炳,殷仁龍,王學(xué)順.自動(dòng)武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1995.

AnalysisonTransientThermoStructureCouplingofAutomaticGrenadeLauncherBarrel

WANG Fei, LIAO Zhenqiang, FENG Haixing

(Nanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)

In order to improve the performance of automatic weapons, and seek ways for reducing the bore surface temperature and understanding heat transfer theory, it builds the 2D axisymmetric finite element model of barrel with the ANSYS, determines the boundary conditions, obtains the barrel temperature distribution when single shot and the temperature and stress distributions during bursts. Based on the simulation it analyzes the barrel temperature field and stress, compares the stress of the barrel in bore pressure, temperature field and coupling field. The results show that considering the temperature field in barrel design is necessary, provide a theoretical basis for the design of automatic weapons.

Barrel; Finite Element; Temperature Field; Coupling Field

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.008

2014-05-14

王菲(1990—)，女，新疆克拉瑪依人，南京理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘胤N機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真。

TJ29

A

2095-509X(2014)07-0035-04