發(fā)射裝藥非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真

鄒 嘉，紀(jì)京新

(1.海軍裝備部西安軍事代表局，陜西 西安 710100;2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

彈藥在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中，環(huán)境溫度對(duì)發(fā)射藥性能影響很大。溫度過(guò)高，會(huì)使發(fā)射藥的熱分解、水解和氧化氮自催化作用加速，可能造成發(fā)射時(shí)燃速加快，膛壓、初速上升;溫度過(guò)低，會(huì)使發(fā)射藥的機(jī)械強(qiáng)度降低，在受外力作用下，容易破裂使表面積增大，發(fā)射時(shí)造成燃速增大，影響射擊精度;彈藥射擊時(shí)，其藥溫相差1℃，引起彈丸初速誤差大約1m/s，導(dǎo)致彈著距離偏差50m［1-2］。此外，溫度的變化，也會(huì)引起濕度的變化，研究表明，當(dāng)相對(duì)濕度在65% ～70%，氣溫下降至6℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)露［3］?？梢?jiàn)，獲取實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)射藥的溫度場(chǎng)分布，具有一定的軍事價(jià)值，可以為彈藥的長(zhǎng)期貯存和裝藥失效分析提供參考。但在實(shí)際中，不允許對(duì)彈藥進(jìn)行破壞性的開(kāi)孔［2］，這就給溫度的獲取帶來(lái)了困難。

本文借助Ansys軟件的熱分析功能，對(duì)發(fā)射裝藥非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真，不僅可以對(duì)發(fā)射藥溫度和環(huán)境溫度變化情況進(jìn)行分析，也可以節(jié)省大量的費(fèi)用，對(duì)彈藥發(fā)射裝藥的貯存規(guī)律、失效機(jī)理及射擊試驗(yàn)具有一定的參考價(jià)值。

1 非穩(wěn)態(tài)熱分析原理

非穩(wěn)態(tài)熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)及其它熱參數(shù)。在工程上一般用非穩(wěn)態(tài)熱分析計(jì)算溫度場(chǎng)。非穩(wěn)態(tài)熱分析中的載荷是隨時(shí)間變化的。為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷，首先必須將載荷-時(shí)間曲線分為載荷步。對(duì)于每一個(gè)載荷步，必須定義載荷值及時(shí)間值，同時(shí)必須選擇載荷步為漸變或階越。

非穩(wěn)態(tài)熱分析中，系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間都有明顯變化［4］。根據(jù)能量守恒原理，以矩陣形式表示的非穩(wěn)態(tài)熱平衡為

式中，［K］為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù);［C］為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加;{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量;{˙T}為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù);{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。

2 模型的建立

2.1 仿真模型的建立

本文以典型的3種(小、中、大)口徑彈藥為例。選擇PLANE55四邊形4節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元，用二維熱傳導(dǎo)進(jìn)行分析。以彈藥發(fā)射裝藥徑向截面建立二維模型，外層為彈藥藥筒，內(nèi)層為發(fā)射藥，由于彈藥橫向截面是軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，為便于仿真，本文選取1/4截面為研究對(duì)象，見(jiàn)圖1。材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示［5-6］，本文以雙基藥為例進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真，對(duì)其它發(fā)射裝藥可以通過(guò)改變材料的熱力學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)其溫度場(chǎng)的仿真。

表1 材料參數(shù)

2.2 初始條件和邊界條件

彈藥在貯存過(guò)程中的溫度變化是由于彈藥表面與周圍環(huán)境溫度之間存在溫差，從而引起熱量交換，主要分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流的傳熱系數(shù)為1-10w/(m2·k)，主要是由于空氣溫度冷熱分布不均引起的;強(qiáng)制對(duì)流為10-100w/(m2·k)，主要是由于壓差作用引起的［5］。彈藥在貯存過(guò)程中，其外界溫度是變化的，在實(shí)際業(yè)務(wù)工作當(dāng)中，一天內(nèi)通常是測(cè)定幾個(gè)時(shí)刻的溫度，因此，假定兩相鄰時(shí)刻之間的溫度呈線性變化;彈藥在進(jìn)行射擊試驗(yàn)之前，通常要對(duì)彈藥進(jìn)行保溫，使其藥溫基本趨于一致，其環(huán)境溫度基本不變?；谏鲜鰞煞N考慮，本文設(shè)定的邊界條件主要有恒溫和線性變化的溫度兩種環(huán)境條件。

3 發(fā)射裝藥溫度場(chǎng)求解

彈藥在貯存和試驗(yàn)條件下，通常關(guān)心裝藥溫度變化最快的節(jié)點(diǎn)和裝藥整體溫度趨于一致的時(shí)刻，所以，選擇裝藥外表面和中心兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為對(duì)象研究其溫度場(chǎng)分布情況。以環(huán)境溫度與裝藥軸心溫度的溫差到達(dá)某一溫度范圍表示溫度平衡時(shí)刻，以裝藥外邊面溫度到達(dá)一定值時(shí)表示溫度對(duì)裝藥的影響。

3.1 不同傳熱方式下的裝藥溫度場(chǎng)仿真

假設(shè)彈藥在自然對(duì)流條件下的其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5 w/(m2·k)，在強(qiáng)制對(duì)流條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為40 w/(m2·k)，環(huán)境和彈藥初始溫度為15℃，環(huán)境溫度在2.5h內(nèi)變化至25℃，選取中口徑彈藥，設(shè)置時(shí)間為 9000s(2.5h)，步長(zhǎng)為 50s，通過(guò)仿真得到 2.5h 內(nèi)彈藥兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化和終點(diǎn)時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布，如圖1～4所示。

通過(guò)溫度場(chǎng)云圖和溫度變化曲線圖可以看出，經(jīng)過(guò)2.5h仿真后，強(qiáng)制對(duì)流裝藥外邊面溫度上升至24℃以上，而自然對(duì)流裝藥外邊面溫度上升至不到20℃;自然隨流下裝藥溫度變化曲線較強(qiáng)制對(duì)流平緩?？梢缘贸觯谕瑯拥沫h(huán)境溫度下，強(qiáng)制對(duì)流較自然對(duì)流對(duì)裝藥的溫度影響較大，各節(jié)點(diǎn)溫度隨著裝藥外邊面到軸心的深入逐漸平緩。

圖1 自然對(duì)流2.5h后溫度場(chǎng)云圖

圖2 強(qiáng)制對(duì)流2.5h后溫度場(chǎng)云圖

圖3 自然對(duì)流兩節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化圖

圖4 強(qiáng)制對(duì)流兩節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化圖

3.2 恒溫條件下的裝藥溫度場(chǎng)仿真

假設(shè)在自然對(duì)流條件下，選取中口徑彈藥，彈藥初始溫度為15℃，環(huán)境溫度分別為6℃、25℃和30℃，設(shè)置時(shí)間為90000s，步長(zhǎng)為100s，得到不同環(huán)境溫度下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化。以發(fā)射裝藥軸心與環(huán)境溫度相差0.01℃為平衡溫度，則三種口徑彈藥到達(dá)平衡溫度的時(shí)間如表2所示，圖5為環(huán)境溫度為6℃時(shí)的裝藥溫度隨時(shí)間變化曲線圖。

表2 不同環(huán)境溫度下到達(dá)平衡溫度時(shí)間表

圖5 環(huán)境溫度為6℃裝藥隨溫度變化曲線圖

通過(guò)仿真，可以看出裝藥溫度變化情況與環(huán)境溫度有關(guān)，但是升溫或者降溫過(guò)程的總體趨勢(shì)基本相同，只不過(guò)當(dāng)溫差較大時(shí)前期曲線變化較快，后期變化較為平穩(wěn)。通過(guò)表2和圖5可以看出，對(duì)于同口徑彈藥，當(dāng)環(huán)境與裝藥溫差較大時(shí)，達(dá)到平衡溫度的時(shí)間也較大，但是溫差對(duì)裝藥到達(dá)平衡溫度的時(shí)間影響不大，對(duì)中口徑彈藥，經(jīng)過(guò)20h的傳熱，裝藥溫度與環(huán)境溫度相差小于0.1℃。

3.3 不同口徑彈藥的裝藥溫度場(chǎng)仿真

假設(shè)在自然對(duì)流條件下，彈藥初始溫度為15℃，環(huán)境溫度為25℃，設(shè)置時(shí)間為90000s(25h)，步長(zhǎng)為100s，得到三種不同口徑彈藥兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況。以發(fā)射裝藥外表面與環(huán)境溫度相差0.01℃為平衡溫度，則三種口徑彈藥到達(dá)平衡溫度的時(shí)間如表3所示。

表3 不同口徑彈藥到達(dá)平衡溫度時(shí)間表

從表3可以看出，隨著彈藥口徑的增大，到達(dá)平衡溫度的時(shí)間也逐漸增大，對(duì)于大口徑彈藥，至少經(jīng)過(guò)1.492天才能到達(dá)平衡溫度，對(duì)于小口徑彈藥，則需要經(jīng)過(guò)至少6.9小時(shí)。

3.4 變溫條件下的裝藥溫度場(chǎng)仿真

彈藥在實(shí)際貯存當(dāng)中，當(dāng)環(huán)境溫度有上升至30℃以上的趨勢(shì)時(shí)，往往會(huì)采取合理的措施進(jìn)行降溫，因此，彈藥庫(kù)房的溫度通常是周期性變化的。假設(shè)某彈藥庫(kù)房溫度在15℃ ～25℃內(nèi)周期變化，時(shí)間間隔為4小時(shí)，表面?zhèn)鳠岱绞綖樽匀粚?duì)流，彈藥口徑為76mm，發(fā)射藥初始溫度為15℃。得出在此條件下的裝藥溫度場(chǎng)變化情況如圖6所示。

圖6 變溫條件下裝藥溫度隨時(shí)間變化曲線

通過(guò)溫度變化曲線圖可以看出，裝藥外表面溫度波動(dòng)較大，中心較為平緩，在裝藥內(nèi)側(cè)的溫度遲于外側(cè)。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，其裝藥溫度最終將會(huì)趨于平衡狀態(tài)，即在某一閾值范圍內(nèi)波動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)彈藥發(fā)射裝藥非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的仿真，可以得出發(fā)射裝藥溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，為彈藥的貯存和實(shí)驗(yàn)提供一定的參考價(jià)值。文中對(duì)不同傳熱方式、不同環(huán)境溫度和不同口徑的彈藥進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，通過(guò)比較可以看出，彈藥裝藥溫度變化情況從裝藥外邊面至中心逐漸趨于平緩，從傳熱方式來(lái)看，強(qiáng)制對(duì)流較自然對(duì)流對(duì)于彈藥裝藥內(nèi)部傳熱影響更大;裝藥與環(huán)境溫差較大的情況下，初始時(shí)刻裝藥溫度變化越快，但是，到達(dá)平衡溫度的時(shí)間相差不大;彈藥口徑對(duì)傳熱影響較為顯著，口徑越大，傳熱到達(dá)平衡溫度時(shí)間越長(zhǎng)。

綜上所述，在彈藥的長(zhǎng)期貯存時(shí)，應(yīng)注意保持通風(fēng)，加速空氣流動(dòng)，但是當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，通風(fēng)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng);彈藥試驗(yàn)前，應(yīng)根據(jù)彈藥口徑不同，合理確定保溫時(shí)間。

［1］ 唐壽江.溫度對(duì)彈藥質(zhì)量變化的影響［J］.湖北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，33(7):187-188.

［2］ 陸欣，周彥煌.火炮發(fā)射藥非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2003，23(1):190-195.

［3］ 番文庚.溫度和電磁環(huán)境對(duì)航彈失效影響分析［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.

［4］ 鄧凡平.Ansys10.0有限元自學(xué)手冊(cè)［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［5］ 番文庚，王曉明，陳瑞，等.航空彈藥貯存環(huán)境溫度場(chǎng)仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20(12):3258-3261.

［6］ 陳明華，江勁勇，路桂娥，等.GF-A0066320G彈藥長(zhǎng)期貯存后發(fā)射藥剩余能量的計(jì)算［R］.石家莊:軍械工程學(xué)院，2009.