高射頻自動(dòng)機(jī)射擊模式下身管壽命分析

高志恒，蘇曉鵬

(1.海裝重慶局，重慶 401120;2.重慶長安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401120)

高射速自動(dòng)機(jī)身管具有高溫、高壓、高頻沖擊的工況特點(diǎn)［1-3］。自動(dòng)機(jī)的射擊模式、身管材料、加工工藝、身管膛內(nèi)結(jié)構(gòu)、內(nèi)彈道特性等因素均對(duì)身管壽命有較大影響［4-5］。高射頻自動(dòng)機(jī)連續(xù)射擊時(shí)，身管在極短的時(shí)間內(nèi)熱量來不及向外散熱，身管溫度會(huì)在瞬間迅速升高，因此很容易使得身管內(nèi)壁材料出現(xiàn)嚴(yán)重的超溫工況，使得材料的性能發(fā)生改變，加速身管膛線的磨損，進(jìn)而影響身管的射擊壽命。因此高射速自動(dòng)機(jī)連續(xù)射擊的射擊模式(包括每次連發(fā)數(shù)、間隔時(shí)間、射擊發(fā)數(shù)等)對(duì)自動(dòng)機(jī)身管內(nèi)壁的溫度具有較大的影響，是影響自動(dòng)機(jī)身管射擊壽命的重要因素。本研究以某高射速自動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，采用有限元仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)自動(dòng)機(jī)在不同射擊模式下身管熱效應(yīng)進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而分析其對(duì)自動(dòng)機(jī)身管射擊壽命的影響。

1 身管熱容量計(jì)算模型

對(duì)于高射頻自動(dòng)機(jī)身管來說，火炮發(fā)射過程中膛內(nèi)時(shí)間極短，身管壁內(nèi)的熱傳導(dǎo)是兩維軸向和徑向不穩(wěn)定問題。由于身管沿徑向的溫度分布是研究的重點(diǎn)，并且身管溫度沿半徑方向變化的比較快，其梯度一般為沿軸向梯度的1000倍以上，因此考慮身管實(shí)際工作情況，并為了研究方便，可以在忽略彈丸對(duì)膛壁的摩擦及其熱效應(yīng)基礎(chǔ)上，在對(duì)身管熱容量進(jìn)行分析時(shí)主要選取某一截面建立一維或兩維計(jì)算模型進(jìn)行分析。采用一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型作為計(jì)算模型，選擇身管不同位置處的截面進(jìn)行分析，則身管一維瞬態(tài)導(dǎo)熱的微分方程可表示為

式中:a為身管壁的導(dǎo)溫系數(shù);T(r)為管壁溫度。在對(duì)身管進(jìn)行熱應(yīng)力分析時(shí)，假設(shè)身管變形屬于小變形范圍，材料處于彈性狀態(tài)，則任意時(shí)刻，在管壁的溫度場(chǎng)分布函數(shù)T(r)已知時(shí)，管壁內(nèi)任一點(diǎn)的徑向、切向及軸向熱應(yīng)力可表示為式中:α為材料熱膨脹系數(shù);μ為泊松比;E為材料彈性模量;r1，r2分別表示身管內(nèi)外壁半徑。由于高射速自動(dòng)炮連續(xù)射擊時(shí)，身管壁的溫度場(chǎng)是瞬態(tài)變化的，尤其在身管截面形狀比較復(fù)雜時(shí)，很難準(zhǔn)確得到身管壁的溫度場(chǎng)分布函數(shù)T。

1.1 身管截面溫度場(chǎng)有限元分析模型

本研究采用有限元方法，根據(jù)身管連續(xù)射擊時(shí)所受溫度載荷工況及內(nèi)外壁邊界條件建立有限元分析模型。確定身管在整個(gè)射擊循環(huán)中身管內(nèi)外壁邊界條件及射擊過程中膛內(nèi)火藥燃?xì)獾臏囟容d荷情況。按身管的結(jié)構(gòu)特性，選取膛線起始位(身管膛線最易磨損部位)身管截面建立軸對(duì)稱分析模型，模型如圖1所示。

圖1 身管截面1/4有限元模型

1.2 膛內(nèi)火藥氣體溫度確定

對(duì)于彈丸在膛內(nèi)時(shí)期不同身管截面處的火藥燃?xì)鉁囟萒q(t)，根據(jù)內(nèi)彈道理論結(jié)合火炮結(jié)構(gòu)及內(nèi)彈道參數(shù)進(jìn)行計(jì)算;在后效期內(nèi)火藥燃?xì)鉁囟戎饾u衰減，對(duì)于后效期內(nèi)膛內(nèi)火藥燃?xì)獾臏囟?，在假設(shè)整個(gè)后效期內(nèi)炮口為臨界流動(dòng)條件下，膛內(nèi)火藥燃?xì)鉁囟入S時(shí)間變化規(guī)律為

式中:Tg為內(nèi)彈道結(jié)束時(shí)膛內(nèi)火藥氣體平均溫度，可根據(jù)火炮結(jié)構(gòu)及內(nèi)彈道參數(shù)計(jì)算。B為待定系數(shù)，與身管結(jié)構(gòu)及內(nèi)彈道參數(shù)有關(guān)，其計(jì)算式為

式中:φ為修正系數(shù)，對(duì)炮膛可取0.95;S為身管炮膛截面積;k為火藥燃?xì)庵葻岜?ω為裝藥量;pg和ωg分別為彈丸出膛口時(shí)膛內(nèi)氣流平均壓力和比容。

根據(jù)所研究自動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道參數(shù)分析膛線起始部位身管截面在膛內(nèi)及后效期的溫度載荷曲線如圖2所示。

圖2 射擊過程身管內(nèi)壁溫度載荷曲線

1.3 邊界條件確定

對(duì)發(fā)射過程中身管瞬態(tài)傳熱邊界條件的確定是較為困難的，尤其是內(nèi)邊界條件，目前通常采用第三類邊界條件作為火炮發(fā)射時(shí)的內(nèi)邊界條件是較為符合實(shí)際情況的，即與身管內(nèi)壁相接觸火藥燃?xì)鉁囟萒q(t)和換熱系數(shù)h1已知時(shí)，火藥燃?xì)馀c身管內(nèi)壁之間以強(qiáng)迫對(duì)流方式進(jìn)行換熱，其方程為

式中:λ為身管材料的導(dǎo)熱系數(shù);h1為身管內(nèi)表面與火藥燃?xì)獾膶?duì)流系數(shù);Tq(t)和h1這些參數(shù)可根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道模型并結(jié)合已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核確定。

對(duì)于身管外壁在空氣中自然冷卻的情況，身管外壁主要以自然對(duì)流和熱輻射方式放熱，其邊界條件為

式中:h2為身管外表面與外界的對(duì)流換熱系數(shù);Ta為環(huán)境溫度;ε為輻射率(黑度);σ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù);A為輻射面積。h2可根據(jù)對(duì)流傳熱理論，按身管結(jié)構(gòu)參數(shù)、自動(dòng)炮實(shí)際工作條件及試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)校核確定。

2 射擊模式對(duì)身管內(nèi)壁溫度影響

本研究以通用熱分析有限元軟件ANSYS作為仿真計(jì)算平臺(tái)，結(jié)合APDL語言編寫仿真程序。計(jì)算時(shí)采用常物性假設(shè)，即身管材料物性參數(shù)(密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等)不隨溫度的變化而變化，計(jì)算環(huán)境溫度為20℃。分析計(jì)算中，所研究對(duì)象身管的射擊間隔時(shí)間為0.086 s，分別按點(diǎn)射長度5發(fā)、10 發(fā)、20 發(fā);射擊間隔 3 s、2 s、1 s;連續(xù)射擊彈數(shù) 80 發(fā)、100發(fā)等不同射擊模式條件下身管內(nèi)壁溫度進(jìn)行分析。

2.1 點(diǎn)射長度對(duì)身管內(nèi)壁溫度影響結(jié)果分析

分別按點(diǎn)射5連發(fā)、10連發(fā)、20連發(fā)，射擊間隔同為3 s模式下，連續(xù)射擊80發(fā)時(shí)身管內(nèi)壁溫度變化曲線如圖3～圖5所示。分析結(jié)果表明，同樣射擊80發(fā)時(shí)，3種點(diǎn)射長度模式下身管內(nèi)壁的最高溫度分別為595℃、612℃、653℃，即隨著點(diǎn)射長度的增加，身管內(nèi)壁溫度會(huì)逐漸升高，會(huì)加速身管內(nèi)壁膛線的磨損，影響身管的壽命。

圖3 5連發(fā)，間隔3 s，射擊80發(fā)身管內(nèi)壁曲線

圖4 10連發(fā)，間隔3 s，射擊80發(fā)身管內(nèi)壁曲線

圖5 20連發(fā)，間隔3 s，射擊80發(fā)身管內(nèi)壁曲線

2.2 間隔時(shí)間對(duì)身管內(nèi)壁溫度影響結(jié)果分析

分別按點(diǎn)射間隔時(shí)間3 s、2 s、1 s 3種射擊間隔模式下，連續(xù)射擊100發(fā)時(shí)身管內(nèi)壁溫度變化曲線如圖6～圖8所示。分析結(jié)果表明，同樣射擊100發(fā)時(shí)，3種點(diǎn)射間隔模式下身管內(nèi)壁的最高溫度分別為638℃、654℃、693℃，即隨著點(diǎn)射間隔的減小，身管內(nèi)壁熱量來不及向外傳到，內(nèi)壁溫度會(huì)快速升高，同樣會(huì)影響身管的壽命。

圖6 5連發(fā)，間隔3 s，射擊100發(fā)身管內(nèi)壁曲線

圖7 5連發(fā)，間隔2 s，射擊100發(fā)身管內(nèi)壁曲線

圖8 5連發(fā)，間隔1 s，射擊100發(fā)身管內(nèi)壁曲線

2.3 射擊模式對(duì)身管壽命的影響分析

國內(nèi)外近年來研究表明，火炮身管內(nèi)膛的燒蝕磨損與材料溫度漸存在指數(shù)關(guān)系，在高溫工況下，膛內(nèi)溫度的稍微變化會(huì)大大影響身管燒蝕，其中金屬被熔化沖刷占了較大比例。因此有效控制身管內(nèi)壁的溫度可有效提高身管的燒蝕壽命。根據(jù)對(duì)身管材料的熱性能分析表明，在材料溫度達(dá)到約700℃以上時(shí)，材料性能會(huì)有明顯下降，會(huì)加劇身管燒蝕。

根據(jù)對(duì)不同發(fā)射模式下連續(xù)射擊80發(fā)與100發(fā)時(shí)身管內(nèi)壁的溫度仿真分析如表1、表2所示。綜合分析結(jié)果表明，在同樣連續(xù)射擊彈數(shù)情況下，點(diǎn)射長度短，間隔時(shí)間長時(shí)，可有效控制身管內(nèi)壁溫度;點(diǎn)射長度長，時(shí)間間隔短時(shí)，身管內(nèi)壁溫度會(huì)快速升高，加速身管內(nèi)壁燒蝕磨損。假設(shè)以身管內(nèi)壁溫度達(dá)到700℃作為極限溫度，則點(diǎn)射長度5發(fā)時(shí)，間隔時(shí)間1～3 s，可連續(xù)射擊100發(fā)。而點(diǎn)射長度為10發(fā)時(shí)，在間隔時(shí)間2～3 s前提下，最大只能連續(xù)射擊80發(fā);而當(dāng)點(diǎn)射長度為20發(fā)時(shí)，間隔時(shí)間3 s條件下，最大連續(xù)射擊彈數(shù)將不能超過80發(fā)，否則將加速身管的燒蝕，降低身管的射擊壽命。

因此為保證速射自動(dòng)機(jī)身管燒蝕壽命，除要嚴(yán)格控制總的連續(xù)射擊彈數(shù)外，應(yīng)盡量采用短點(diǎn)射模式，在滿足武器作戰(zhàn)要求前提下，盡量增長點(diǎn)射時(shí)間間隔，在實(shí)踐中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的火炮射擊規(guī)范的射擊模式進(jìn)行射擊。特殊情況下可采取外部制冷，加速身管散熱，降低身管總體溫度。

表1 不同射擊模式下連續(xù)射擊80發(fā)身管內(nèi)壁溫度

表2 不同射擊模式下連續(xù)射擊100發(fā)身管內(nèi)壁溫度

3 結(jié)論

本研究以某高射速自動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，采用有限元分析方法，對(duì)自動(dòng)機(jī)在不同射擊模式下身管內(nèi)壁溫度熱效應(yīng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明自動(dòng)機(jī)在進(jìn)行連發(fā)射擊時(shí)的點(diǎn)射長度，間隔時(shí)間，連續(xù)射擊彈數(shù)等因素對(duì)身管內(nèi)壁燒蝕均有較大影響。為保證身管燒蝕壽命，除應(yīng)嚴(yán)格控制總的連續(xù)射擊彈數(shù)外，應(yīng)盡量采用短點(diǎn)射模式，在滿足武器作戰(zhàn)要求前提下，盡量增長點(diǎn)射時(shí)間間隔，在實(shí)踐中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的火炮射擊規(guī)范的射擊模式進(jìn)行射擊，避免超規(guī)范射擊。本研究分析結(jié)果與射擊試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果相符合，分析方法和仿真結(jié)果對(duì)射速自動(dòng)機(jī)身管燒蝕壽命及射擊規(guī)范的確定具有一定的參考價(jià)值。

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