基于3D打印的消音器快速設(shè)計(jì)技術(shù)研究

張魏友 毛慶龍 楊志遠(yuǎn)

Research on Rapid Design Technology of Muffler Based on 3D Printing

ZHANG Wei-you MAO Qing-long? YANG Zhi-yuan

摘要：本文開展消音器快速設(shè)計(jì)研究。首先，開展某型槍用消音器膛口流場(chǎng)的仿真分析與計(jì)算，經(jīng)后處理分析，獲得膛口流場(chǎng)速度與膛口壓力分布云圖，通過分析獲得膛口噪音分貝值;其次，進(jìn)行3D打印工藝適應(yīng)性研究，采用TC4粉末完成消音器快速激光成型;最后，功能性試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，3D打印消音器降噪仿真與實(shí)彈射擊試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

Abstract： This paper studies the rapid design of muffler. Firstly， the muffler muzzle flow field is simulated based on CFD， and the velocity and pressure distribution chart of muzzle flow field in aftereffect period is obtained. Secondly， the adaptability of 3D printing technology is studied， and the muffler is rapidly laser generated. Finally， the functional test results show that the noise reduction simulation of 3D print muffler is consistent with the firing test results of live ammunition.

關(guān)鍵詞：3D打印;消音器;流場(chǎng);CFD

Key words： 3D printing;muffler;flow field;CFD

中圖分類號(hào)：E92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）32-0177-03

0? 引言

隨著科技發(fā)展，未來戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境將以城市作戰(zhàn)為主，敵我雙方都有較為完善的戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備，對(duì)于作戰(zhàn)人員的隱蔽問題提出更高的要求，輕武器安裝消音器的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①槍口聲音會(huì)變沉悶，起到保護(hù)聽力的作用，不易被對(duì)方發(fā)現(xiàn);②槍口火焰會(huì)消失，便于射擊手隱藏;③槍口上跳減小，后坐力降低，射擊精度獲得提升。消音器體內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣（見圖1），但原理基本相同，都是將高溫高壓高速的火藥燃?xì)馔ㄟ^在消音器體內(nèi)部改變氣流的方式，達(dá)到降噪的效果，只要射擊時(shí)聲音沉悶不刺耳，達(dá)到降低對(duì)方正確判斷位置的作用，將噪聲分貝下降到一定數(shù)值即可，圖2為ELITE公司的EL556消音器，結(jié)構(gòu)采用渦流消音原理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜，造價(jià)昂貴，顯然不適合普遍配發(fā)，因此有必要基于3D打印技術(shù)對(duì)消音器開展快速設(shè)計(jì)與仿真制造技術(shù)的研究，對(duì)研發(fā)性價(jià)比高的消音器提供技術(shù)支撐。

1? 槍械膛口噪聲簡(jiǎn)介

槍械膛口噪聲主要來源于槍管膛口氣流流場(chǎng)，當(dāng)彈殼底火擊發(fā)后點(diǎn)燃發(fā)射藥，彈丸在高溫高膛壓作用下從槍管口部射出，火藥燃?xì)庠谔趴谔幮纬杉げ╗1]，膛口處沖擊波方程如下所示：

其中，Pmax為激波波峰值，t0為激波作用時(shí)間。

經(jīng)傅里葉變換后，如下所示：

相對(duì)振幅的絕對(duì)值

2? 基于CFD的消音器膛口流場(chǎng)仿真分析

2.1 流體力學(xué)分析流程

CFD技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)的包含多種偏微分守恒方程求解的技術(shù)，根據(jù)工程項(xiàng)目要求的不同，其求解算法和數(shù)值分析模型也不一致，大致分析過程如圖3所示。

CFD流體仿真分析可有效進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的仿真再現(xiàn)，通過改變模型相關(guān)參數(shù)，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流場(chǎng)作用性能特性等，計(jì)算效率較高，在實(shí)際項(xiàng)目計(jì)算過程中，有助于工程師發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)規(guī)律，快速有效地進(jìn)行故障機(jī)理分析等。

2.2 計(jì)算模型及設(shè)置

某手槍消音器在ANSYS環(huán)境下創(chuàng)建有限元模型，ANSYS WORKBENCH 軟件可以提供多種網(wǎng)格劃分方法[2]，由于槍用消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采取精細(xì)的四面體網(wǎng)格建立構(gòu)件的模型，為了確保計(jì)算準(zhǔn)確，選用fine劃分，網(wǎng)格模型如圖4所示，模擬槍口有效期流場(chǎng)。

在CFD模塊中設(shè)置超音速，主要是三方面：

①入口：設(shè)置為360m/s的進(jìn)口速度，以及后效期彈道壓力，見圖5所示;

②出口：設(shè)置為supersonic出口;

③Wall型（壁面設(shè)置）：設(shè)置其他各面。

2.3 仿真結(jié)果分析

求解設(shè)置完成后，計(jì)算得出仿真結(jié)果如圖5-圖6所示，加載消音器后，膛口可達(dá)流速為686.4m/s，壓力為1.393e9MPa。

聲壓的大小一般不用絕對(duì)值表示，而用與基本量的比較值SPL（sound pressure level）表示，參考?jí)毫ref為2e-5Pa：

SPL=20log（10）[Pe/Pref]

計(jì)算可得：SPL=20log（10）（6.5e13）

查功率比與分貝數(shù)換算表1。

由于SPL值為6.5e13，屬于1013，前面數(shù)據(jù)為6.5，故為120～130db范圍。

3? 3D打印工藝適應(yīng)性研究

槍械中的零部件大多工況惡劣，承受著高沖擊變載荷，某些零部件還要承受著火藥氣體產(chǎn)生的高溫高壓作用。因此，3D打印槍用材料的選用不僅要有利于快速、精確地加工原型零件，而且還要盡量滿足對(duì)強(qiáng)度、剛度、熱穩(wěn)定性能等的要求。

槍械零部件激光成形過程中小熔池熔體在超高溫度梯度作用下的激光超常冶金過程復(fù)雜，研究其凝固形核與生長(zhǎng)行為及其與成形工藝條件的關(guān)系，掌握凝固組織形成規(guī)律及控制技術(shù)，是后續(xù)熱處理工藝和構(gòu)件性能優(yōu)化的基礎(chǔ)。長(zhǎng)時(shí)間往復(fù)逐道掃描、逐層沉積工藝特點(diǎn)，導(dǎo)致激光成形構(gòu)件內(nèi)部缺陷的形成原因較為特殊復(fù)雜、控制難度較大，掌握槍械零部件內(nèi)部缺陷特征、形成機(jī)理及其控制方法，是獲得高性能槍械零部件的關(guān)鍵要素之一。熱處理是調(diào)節(jié)材料組織性能的有效手段之一，獨(dú)特的激光沉積態(tài)組織特征，為后續(xù)熱處理工藝與顯微組織優(yōu)化提供了空間，同時(shí)為激光成形槍械零部件性能優(yōu)化提供了一條有效途徑，因此，熱處理工藝與顯微組織優(yōu)化技術(shù)是改善和提高激光成形槍械零部件性能的關(guān)鍵。

消音器體零件，外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜（圖7），內(nèi)部大量懸空結(jié)構(gòu)是成形難點(diǎn)之一。采用激光選區(qū)熔化制造工藝，可實(shí)現(xiàn)消音器體零件的一體制造，且制造周期短、材料利用率高。零件的試制工作流程如圖8所示，在零件結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行零件成形方案設(shè)計(jì)，并根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求完成加工余量和工藝支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行零件選區(qū)熔化成形試驗(yàn)，并根據(jù)成形情況進(jìn)行工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜合考慮消音器體零件激光選區(qū)熔化成形和機(jī)械加工工藝性，設(shè)計(jì)零件成形方案如圖9所示。根據(jù)零件的設(shè)計(jì)圖紙，零件的上部需要加工出螺紋。由于該零件屬于薄壁類零件，機(jī)械加工進(jìn)行夾持時(shí)，直接夾持零件本體，容易造成變形，故在零件底端增加工藝凸臺(tái)，方便機(jī)械加工時(shí)裝夾，機(jī)械加工完成后，將該工藝凸臺(tái)切除。

經(jīng)3D打印后，實(shí)際產(chǎn)品如圖10所示。

4? 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)消音器3D打印驗(yàn)證件進(jìn)行局部機(jī)械加工，滿足零件設(shè)計(jì)要求后，按照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及大綱要求，在某微聲手槍上安裝3D打印消音器驗(yàn)證件，進(jìn)行槍口噪聲測(cè)試，測(cè)試儀器距離槍口3m處，射擊10發(fā)，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用3D打印消音器時(shí)，測(cè)得噪聲為122dB，與仿真結(jié)果基本一致。

5? 結(jié)論

本文以槍械消音器為對(duì)象，闡述了噪聲的來源，進(jìn)行了槍械膛口流場(chǎng)仿真計(jì)算，在3D工藝適應(yīng)性研究的基礎(chǔ)上，采用TC4材料進(jìn)行消音器快速激光成型，并對(duì)3D試驗(yàn)件進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，說明仿真結(jié)果與實(shí)際3D試驗(yàn)件的一致性，為消音器等輕武器附件產(chǎn)品進(jìn)行快速設(shè)計(jì)提供方案思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬大猷著.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].科學(xué)出版社，2004：64-66.

[2]許進(jìn)峰著.ANSYS Workbench15.0完全自學(xué)一本通[M].電子工業(yè)出版社，2016，09：271-275.

[3]王志杰.汽車消聲器聲學(xué)性能仿真分析與優(yōu)化[J].價(jià)值工程，2018，37（08）：171-174.

作者簡(jiǎn)介：張魏友（1988-），男，江蘇南通人，工程師，碩士，研究方向?yàn)镃AE仿真。