基于Abaqus的某型大口徑火炮身管溫度場分析

樊連慶，石 赟，陳洪超

(1.成都晉林工業(yè)制造有限責(zé)任公司， 成都 611930；2.駐成都地區(qū)第一軍事代表室， 成都 610110)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的強(qiáng)度與技術(shù)含量正不斷發(fā)展，提高火炮的威力、增加射擊精度和提高火炮的使用壽命已經(jīng)成為了當(dāng)下大口徑身管武器裝備發(fā)展的必然趨勢。而身管作為身管武器的核心，主要功能是賦予彈丸一定初速的射向。伴隨大威力與高精度，射擊過程中身管膛內(nèi)將產(chǎn)生更高的溫度和對身管內(nèi)壁更嚴(yán)重的熱沖擊，使得金屬機(jī)械性能下降，影響身管的壽命[1]。因此，研究不同膛線類型的火炮對身管溫度場的影響是十分必要的。

對于火炮身管溫度場的研究，彭克俠等[2]建立了某火炮身管的有限元模型，基于非線性瞬態(tài)熱力學(xué)理論，得出不同射速和不同環(huán)境溫度下身管溫度場的分布規(guī)律；徐達(dá)等[3]建立了火炮身管的傳熱學(xué)模型,并采用有限差分方法對模型進(jìn)行了求解，得出了30 mm小口徑鍍鉻身管單發(fā)及連發(fā)射擊條件下溫度場的分布及其變化規(guī)律；王偉等[4]應(yīng)用APDL命令，完成不同口徑火炮身管溫度場的計算；莊健對某坦克火炮身管溫度應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬及疲勞壽命分析；劉軍等[5]利用Abaqus有限元計算軟件對在溫度場下，某型火炮身管的前四階固有頻率和振型進(jìn)行了計算和分析,發(fā)現(xiàn)溫度場對炮管固有頻率有一定的影響。而膛線類型同樣影響火炮的彈道性能，王寶元等[6]比較了火炮身管等齊膛線、漸速膛線和混合膛線之間的響應(yīng)差異；田桂軍[7]研究了不同內(nèi)膛結(jié)構(gòu)燒蝕磨損及其對內(nèi)彈道性能影響。

本文以某大口徑火炮不同膛線類型的身管為研究對象，利用Abaqus軟件平臺，基于瞬態(tài)熱力學(xué)理論對身管內(nèi)外壁的溫度變化過程進(jìn)行了仿真，從而得出不同膛線類型的火炮射擊時身管溫度場的分布規(guī)律，為提高火炮射擊精度與身管壽命提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

本文以某大口徑火炮身管為研究對象，分別分析兩種不同類型膛線(混合膛線，等齊膛線)射擊時的溫度場。其中混合膛線起始端的纏度為等齊膛線膛口的2.5倍。仿真計算時為了方便對身管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，需要對身管結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，同時將身管上的圓角、倒角和其他細(xì)微結(jié)構(gòu)刪除。

由于大口徑火炮身管很長，因此為了方便計算及保證精算進(jìn)度，有限元模型尺寸與身管大小比例為1∶1,身管的網(wǎng)格類型采用8節(jié)點六面體減縮積分單元C3D8R,網(wǎng)格大小控制在1 mm左右。建立了三維有限元模型如圖1所示。

圖1 某大口徑火炮身管最大膛壓截面有限元模型

2 身管材料基本設(shè)置

射擊時，身管內(nèi)壁承受高溫高壓的火藥燃?xì)獾臎_刷作用，火藥燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)到2 000～2 500 ℃。而身管材料溫度的變化將直接影響彈性模量、泊松比、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱及熱膨脹系數(shù)等熱力學(xué)性能參數(shù)的變化。根據(jù)文獻(xiàn)[8]與文獻(xiàn)[9]中可以分別得出身管的部分物理、力學(xué)和熱學(xué)特性隨溫度變化的規(guī)律如下方程組：

通過上述方程組，可以計算得出身管材料熱力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[10]。

表1 身管材料性能參數(shù)

3 溫度場內(nèi)邊界條件的確立

基本假設(shè)：

1) 身管初溫與相應(yīng)的環(huán)境溫度一致；

2) 忽略彈丸對膛壁的摩擦及其熱效應(yīng)；

3) 溫度場具有軸向?qū)ΨQ性；

4) 身管對環(huán)境的輻射放熱。

內(nèi)彈道時期火藥燃?xì)鉁囟仁菚r間或彈丸位置的函數(shù)，可在求解內(nèi)彈道參數(shù)時，通過下面的公式算出：

Tg(t)=[1-(k-1)φqv2(t)/(2gfωψ)]T1

式中：v(t)為彈丸運動速度；k為絕熱指數(shù)；ω為裝藥量；f為火藥力；φ為虛擬系數(shù)；q為彈丸質(zhì)量；ψ為火藥燃去部分百分比；T1為火藥爆溫。

在后效期結(jié)束時，火藥燃?xì)饣净謴?fù)到大氣溫度，因此，假設(shè)后效期火藥燃?xì)獾钠骄鶞囟入S時間的變化規(guī)律為：

Tgh(t)=The(-A·tB)

式中,Th為后效期開始時火藥燃?xì)獾钠骄鶞囟龋?/p>

式中：Tk為內(nèi)彈道結(jié)束時膛內(nèi)火藥燃?xì)馄骄鶞囟?；Tbw為火藥爆溫；Ta為后效期結(jié)束時刻膛內(nèi)火藥氣體平均溫度；tndd為內(nèi)彈道持續(xù)時間；thxq為后效期持續(xù)時間。根據(jù)該口徑火炮的內(nèi)彈道方程[11]，求出內(nèi)彈道參數(shù)，可以得出火藥燃?xì)鉁囟茸兓€如圖2所示。

圖2 火藥燃?xì)鉁囟茸兓€

火藥燃?xì)獾姆艧嵯禂?shù)

hg1=0.5r1cpρν

式中：cp為火藥燃?xì)獾亩▔罕葻崛?，cp= 1.799 kJ/(kg·K)；ρ、ν為火藥燃?xì)獾拿芏群退俣?；r1為無因次摩擦因數(shù)，r1=(A+4lgd)-2，d的單位為cm，A為經(jīng)驗常數(shù)，A=13.2。計算得出的放熱系數(shù)如圖3所示。

圖3 放熱系數(shù)變化曲線

4 溫度場分布的仿真與分析

本文利用非線性瞬態(tài)熱力學(xué)分別對大口徑火炮射擊時混合膛線身管和等齊膛線身管的溫度場進(jìn)行了仿真分析。

4.1 全身管溫度場分析

根據(jù)上一節(jié)中的身管溫度場內(nèi)邊界條件，可以計算得出火藥燃?xì)鉁囟群蜕砉軆?nèi)壁對流放熱系數(shù)。仿真計算時，將其施加在管壁的邊界條件中。其具體設(shè)置為：火炮在常溫環(huán)境下(25 ℃)進(jìn)行射擊，其身管材料的初始溫度也為常溫，研究身管溫度隨彈丸行程的變化過程時，采用分段施加內(nèi)邊界條件的方法，即將身管分為若干小段，在每一段的內(nèi)壁施加該段身管所對應(yīng)的火藥燃?xì)饧胺艧嵯禂?shù)隨時間的變化情況，即通過abaqus有限元分析軟件，在interaction模塊中，配合時間步添加。經(jīng)過仿真計算后可以得出射擊10發(fā)后兩種不同膛線身管內(nèi)外壁溫度最大值的分布情況如圖4～圖5所示。

圖4 身管內(nèi)壁沿軸向溫度最大值分布曲線

圖5 身管外壁沿軸向溫度最大值分布曲線

從其中可以看出，混合膛線身管的溫度峰值較等齊膛線身管溫度峰值低，那是因為混合膛線的膛線起始部位纏度要大于等齊膛線，彈帶擠進(jìn)混合膛線過程中受到的擠進(jìn)阻力小于擠進(jìn)等齊膛線過程所受的阻力，使得混合膛線身管內(nèi)彈道的啟動壓力小于等齊膛線身管內(nèi)彈道的啟動壓力，因此混合膛線身管內(nèi)彈道參數(shù)較小，產(chǎn)生的火藥燃?xì)鉁囟纫草^小；從溫度分布規(guī)律來看，最大膛壓點附近的峰值溫度偏高，而靠近身管口部的峰值溫度較低，最大膛壓處附近，吸收的熱量最多，溫度變化最劇烈，膛壓最高；身管外壁溫度變化幅度與內(nèi)壁相比較平穩(wěn)，溫度隨身管軸向距離增加而緩慢上升，那是因為靠近越靠近身管尾端，管壁越厚，傳熱時間較長；而靠近膛口處的管壁較薄，傳熱時間較短。

4.2 身管不同位置截面溫度場分析

身管內(nèi)彈道過程是一個動態(tài)過程，其實質(zhì)是彈丸在膛內(nèi)運動的一個漸進(jìn)過程。由于彈丸的運動，因此沿軸線方向身管不同位置受火藥燃?xì)庾饔脮r間也不一樣，即隨著彈丸向膛口運動，越靠近膛線起始位置，受到火藥燃?xì)獾淖饔靡苍介L，使得不同位置身管截面的溫度變化也不同。為了分析計算該大口徑火炮身管溫度場，分別取身管內(nèi)膛膛線起始位置、膛壓最高處以及膛口處3個位置截面(如表2所示)進(jìn)行分析，得出射擊10發(fā)炮彈后身管溫升變化情況，如圖6～圖8所示。

表2 身管3個不同截面位置

圖6 不同膛線身管膛線起始位置處身管內(nèi)壁溫度變化曲線

圖7 不同膛線身管最大膛壓處身管內(nèi)壁溫度變化曲線

圖8 不同膛線身管膛口處身管內(nèi)壁溫度變化曲線

由其中可以看出，膛線起始位置與膛壓最高處的身管內(nèi)壁溫度較膛口處更高，是因為火藥燃?xì)庾饔迷谔啪€起始位置與膛壓最高處的時間更長；而膛口處身管內(nèi)壁溫度變化較膛線起始位置與膛壓最高處更加劇烈，是因為膛口處火藥燃?xì)饬魉俑欤以撎幑鼙谳^薄，同時與空氣接觸面積較大，使得溫度下降更加明顯。

圖9為不同膛線身管膛線起始位置處截面溫度云圖(溫度標(biāo)尺單位為K)。

圖9 不同膛線身管膛線起始位置處截面溫度云圖

4.3 仿真結(jié)果驗證

為了驗證仿真結(jié)果的可信性，將仿真計算值與實測溫度進(jìn)行對比分析。而由于身管內(nèi)膛的工作環(huán)境惡劣，到目前為止，還難以用一般的溫度傳感器測出連續(xù)射擊時的內(nèi)膛表面溫度值。即使是為了測試身管膛面溫度而研制的表面熱電偶，其測試結(jié)果也會有較大誤差，不能滿足使用要求[12-13]。因此，實驗主要通過測試身管外壁的溫度變化情況，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可對仿真后的溫度值進(jìn)行分析判斷。

試驗方案如下：分別用兩種不同類型膛線的身管射擊，試驗時應(yīng)保證其他射擊條件相同，分別射彈10發(fā)，用溫度傳感器測量火炮身管外壁的溫度變化，并與仿真結(jié)果對比。

仿真結(jié)果與實測值的變化如圖10～圖12所示。

圖10 膛線起始位置處身管外壁溫度變化曲線

圖11 最大膛壓處身管外壁溫度變化曲線

圖12 膛口處身管外壁溫度變化曲線

由上圖可以看出，由于受到其他方面因素的影響，仿真值與實測值之間存在一定的誤差；但溫度變化趨勢基本一致，且最大誤差小于5%，因此仿真結(jié)果可信。

5 結(jié)論

1) 膛線的結(jié)構(gòu)對射擊時的身管溫度有一定的影響，因為膛線的結(jié)構(gòu)影響火炮的內(nèi)彈道性能而使得內(nèi)彈道參數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)而影響火藥燃?xì)鉁囟燃胺艧嵯禂?shù)等熱學(xué)參數(shù)。

2) 從身管不同位置的溫度分布規(guī)律情況來看，越靠近身管膛線起始端，產(chǎn)生的溫度越高，溫差變化較平緩；越靠近膛口位置，溫度越低，溫差變化較劇烈。

3) 某大口徑火炮身管膛線的結(jié)構(gòu)及膛線起始端射擊時的溫度場變化較大，可為該型火炮身管的設(shè)計及進(jìn)行身管壽命預(yù)測提供理論參考，同時為大口徑火炮合理射擊提供理論依據(jù)。