激光离散预处理基体镀铬身管延寿的力学机理研究

通过对激光螺旋线状离散预处理基体镀铬身管的靶场实验样品解剖分析和该类涂层／基体结构界面裂纹扩展特点的理论研究,得出激光离散预处理基体镀铬身管延寿的主要力学机理是通过3个方面延缓了铬层的剥落：将均匀基体上随机性的表面主裂纹形貌改变成与激光离散处理、阴阳线结构相对应的菱形主裂纹形貌;增加了由主裂纹围成的铬层“孤岛”尺寸;增加了主裂纹间的界面裂纹扩展距离和减小了界面裂纹驱动力。     

含半埋藏共线双裂纹的Crl2合金钢试件电磁热止裂分析

应用ZL-2超强脉冲电流发生装置对带有预制双平行共线半埋藏裂纹的拉伸试件进行了脉冲放电止裂,放电后裂纹尖端熔化并形成高压应力区,使裂纹尖端钝化,达到了止裂的目的.采用数值模拟确定了止裂工艺参数,并确定了脉冲电流作用瞬间裂纹尖端的温度场和热应力场.研究结果表明:在合适的脉冲放电电压下,电磁热效应实现了空间半埋藏裂纹线形裂尖的钝化,并围绕两个共线裂纹尖端形成了热压应力场,同时实现了裂尖附近组织细化,可提高裂纹扩展的延展功.从而可减缓裂纹的扩展.     

复合材料身管非线性热弹性有限元分析

针对复合材料身管的热弹性问题,采用非线性有限元方法,建立了复合材料身管非线性热弹性有限元模型,通过对复合材料模拟身管进行非线性热弹性分析,得出了物性参数随温度变化对身管瞬态温度场分布、瞬态热应力和固有频率的影响规律,这些规律为复合材料身管动态热性能设计提供了理论依据。     

双基固体推进剂裂纹开裂方向的研究

用粘弹性断裂力学的方法分析了三维板状试样固体推进刺材料的裂纹扩展特性,建立了三维固体推进剂材料的有限元模型,用最大能量释放率准则模拟了试样承受单向拉伸载荷时的裂纹扩展方向.在数值模拟中考虑了材料非线性及裂尖单元奇异性.通过有限元分析,得出了固体推进剂单向拉伸时裂纹扩展方向.结果表明,裂纹在与初始预制裂纹面成约20°～30°的角度方向传播,计算结果与试验结果吻合较好.     

含半埋藏共线双裂纹的Cr12合金钢试件电磁热止裂分析

应用ZL-2超强脉冲电流发生装置对带有预制双平行共线半埋藏裂纹的拉伸试件进行了脉冲放电止裂，放电后裂纹尖端熔化并形成高压应力区，使裂纹尖端钝化，达到了止裂的目的。采用数值模拟确定了止裂工艺参数，并确定了脉冲电流作用瞬间裂纹尖端的温度场和热应力场。研究结果表明：在合适的脉冲放电电压下，电磁热效应实现了空间半埋藏裂纹线形裂尖的钝化，并围绕两个共线裂纹尖端形成了热压应力场，同时实现了裂尖附近组织细化，可提高裂纹扩展的延展功，从而可减缓裂纹的扩展。     

含半埋藏井线双裂纹的Crl2合金钢试件电磁热止裂分析

应用ZL-2超强脉冲电流发生装置对带有预制双平行共线半埋藏裂纹的拉伸试件进行了脉冲放电止裂，放电后裂纹尖端熔化并形成高压应力区，使裂纹尖端钝化，达到了止裂的目的。采用数值模拟确定了止裂工艺参数，并确定了脉冲电流作用瞬间裂纹尖端的温度场和热应力场。研究结果表明：在合适的脉冲放电电压下，电磁热效应实现了空间半埋藏裂纹线形裂尖的钝化，并围绕两个共线裂纹尖端形成了热压应力场，同时实现了裂尖附近组织细化，可提高裂纹扩展的延展功，从而可减缓裂纹的扩展。     

火炮身管疲劳断裂试验和数值模拟研究

烧蚀磨损和疲劳是影响火炮身管寿命的主要因素,前者使内膛表面产生了随机的烧蚀坑或微裂纹,形成了大量的应力集中区,在疲劳作用下,微裂纹沿身管径向由内向外扩展形成宏观裂纹,一旦其深度达到临界值,继续发射则可能导致身管断裂。针对身管疲劳断裂问题,根据火炮发射过程中载荷作用特点,自主设计了液压冲击疲劳试验装置,在实验室条件下再现了身管服役条件下的疲劳断裂现象。试验结果表明：冲击载荷作用下,身管疲劳断口包括裂纹源、扩展区和瞬断区3个部分,扩展区呈现典型的“海滩条纹”特征;身管外壁面周向应变的演化规律与裂纹的扩展速率变化规律之间存在内在的映射关系,从而可为身管健康监测、发射安全性评估提供新的技术手段。数值模拟采用J-C方程描述炮钢材料的动态本构关系,将材料的应变率效应纳入仿真计算过程中,模拟结果与试验结果之间具有较好的一致性。     

基于MARC的某火炮身管内表面裂纹三维J积分有限元模型

火炮发射一定数量炮弹后,身管容易出现裂纹,从而影响射击安全性。通过分析火炮射击过程中身管的受力情况,并利用MARC有限元软件的虚裂纹技术,探讨了某火炮身管内表面裂纹三维J积分有限元模型的建立方法。通过数值计算,得出了身管内表面裂纹J积分值随裂纹长度及深度的变化规律。根据某火炮身管裂纹扩展的临界J积分值,求出了其在最大膛压作用下临界裂纹尺寸,这对火炮身管的安全性评估及预测具有较大的工程应用价值。     

身管内壁裂纹扩展特性及剩余寿命研究

火炮发射过程中身管内膛环境十分恶劣,经过一定射击发数后内膛往往出现不同程度裂纹,影响身管寿命及发射安全性。采用有限元软件建立了包含膛线及不同位置初始裂纹的身管有限元模型,基于线弹性断裂力学理论研究了膛压、弹带摩擦力、自紧残余应力等载荷作用下身管内壁不同位置初始裂纹的扩展特性,得到了影响身管疲劳裂纹扩展寿命的危险因素为身管内壁阴线纵向裂纹,基于疲劳裂纹扩展理论,以临界断裂韧度为失效判据,获得了无镀层身管在包含不同数量初始裂纹时的剩余寿命。研究对于火炮身管的发射安全性评估、寿命预测及寿命提升研究具有重要的参考价值。     

火炮身管温差热弯曲的仿真与计算

在太阳照射下,火炮身管上下表面可产生约6℃的温差,使得身管产生较大的热弯曲,从而影响火炮的射击精度。在一定简化的基础上,利用ANSYS软件,建立了在太阳照射下身管上下表面温差的有限元模型,求解出了身管温度场。通过对太阳辐射载荷瞬态和温度载荷稳态分析计算,得出可以用温度载荷代替辐射载荷求解弯曲度的结论。进一步计算出不同温度、温差下的身管弯曲度,并建立了数据库,从而给出了一种通过测到的身管壁温度而得出身管弯曲度的插值计算方法,为修正火炮射击提供重要参考。     

火炮身管内膛表层温度及其梯度规律研究

火炮射击过程中高温火药燃气可使身管内膛表面材料强度降低、发生相变甚至形成熔融态,加速身管内膛表面形成烧蚀、冲刷、磨损及开裂等损伤,研究身管内膛表面温度及梯度对揭示身管损伤机理具有重要意义。以大口径155 mm火炮身管对象,建立身管热-结构耦合动力学模型,仿真研究阳线棱边倒角、表面镀铬等对身管内膛表层温度的影响规律,结合实弹射击试验后身管内膛表面热影响层检测对仿真结果进行对比。研究结果表明：身管内膛表层温度沿径向快速衰减,形成极大的温度梯度,表面温度达到1 500 ℃、190 μm处温度超过727 ℃;阳线棱边存在明显的热累积,温度比阳线表面高出300 ℃以上,阳线棱边倒角后温度约降低100 ℃;内膛镀铬后可使基体温度降低约400 ℃。     

枪管基体组织对枪管寿命的影响

为了探明枪管基体组织对枪管损伤速率影响的机理,对比研究了两种不同基体组织枪管在射击过程中的损伤表现。采用光学显微镜、扫描电子显微镜对枪管基体组织进行表征,通过碳复型、相分析对枪管基体组织进行分析。结果表明,低硬度枪管损伤速率大于高硬度枪管,导致前者寿命较低。出现这一结果的原因是：一方面低硬度枪管内表面发生了较大的塑性变形,导致内径扩大速率增加,寿命缩短;另一方面高硬度基体碳化物分布较为细小、弥散,抑制裂纹形核扩展能力大于低硬度基体。     

典型小口径步枪枪管系统冷热枪状态差异三维有限元分析

针对自动步枪在冷热枪状态下的差异,为揭示冷热偏机理和提高射击精度,以某典型小口径自动步枪为研究对象,基于热固耦合的研究方法,计算了镀Cr层但忽略膛线的某典型小口径自动步枪枪管系统在连续热冲击及膛压下的瞬态温度及变形,分析了其温度场和沿径向的位移场变化规律,仿真计算结果获得了试验数据的验证。研究表明:连发发射时内膛薄层各点的温度梯度将引起高频急剧变化的热应力; 热载荷是影响残余位移的主要因素; 枪管系统前几发弹峰值位移主要受脉冲位移影响,随着射弹量增加峰值位移主要受残余位移影响; 随着射弹量增加,热枪状态下枪管系统变形明显大于冷枪状态下变形; 热载荷是影响枪管系统变形的主要原因,膛压对枪管系统产生了位移脉冲,不影响残余位移。残余位移的增加量随射弹量呈减小趋势。     

延寿修复材料在身管武器上的应用研究

为了研究延寿修复材料对武器身管的修复延寿效果,开展了延寿修复材料的应用研究。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱仪、烧蚀试验机、摩擦磨损试验机等对延寿修复材料的形貌、相结构、烧蚀性能、腐蚀性能、摩擦磨损性能进行了表征;并利用某型枪、某型滑膛炮进行了实弹射击试验。研究结果表明：修复后,在金属表面附着一层涂层材料,枪管及炮管表面的凹坑、裂纹逐渐被填补,表面渐趋光滑;修复材料使用后能够明显降低枪管温升,且不会对枪的精度产生影响;对于中小口径火炮,修复材料可在一定范围内增大弹丸初速,减小膛径磨损量。     

大口径火炮身管药室内膛裂纹电磁超声表面水平剪切波检测方法

大口径火炮身管药室内膛在射击过程中承受高温高压,易产生网状多裂纹,对安全性能造成隐患,但传统检测手段对内壁清洁度要求较高,且检测周期长。为此,提出基于电磁超声表面水平剪切波（SH波）的身管药室内膛裂纹检测方法,对缺陷进行检测。建立表面SH波电磁超声换能器的辐射声场有限元模型,分析永磁体长度和对数对辐射声场的影响,对电磁超声换能器设计参数进行优化。在研究表面SH波声场特征的基础上,建立表面SH波在含有交叉裂纹的身管药室中传播的有限元模型,分析表面SH波与不同夹角裂纹缺陷的作用规律,并通过实验予以验证。结果表明,当使用12对长度为20 mm的永磁体制成的电磁超声换能器时,能够对10 mm×1 mm×2 mm的交叉裂纹进行检测,分析裂纹夹角与回波幅值的影响规律,为身管药室内膛多裂纹检测提供了可靠依据。     

炮钢的K_（IC）与炮管的安全性

测出了两类炮钢的断裂韧性Ｋ_（ＩＣ）及其随温度变化的系统数据，并由三维有限元、位移法分析求解作为研究对象的某火炮身管高膛压区内表面裂纹前沿的应力强度因子Ｋ_Ｉ数值，以Ｋ_Ｉ＝Ｋ（ＩＣ）作为临界状态的判据，判定了身管射击使用安全性。结果表明，炮管射击安全性随炮钢Ｋ_（ＩＣ）的降低和使用温度的降低而降低。故在炮管设计中，除强度外，应对炮钢常、低温韧性提出定量要求。改善炮钢韧性是提高炮管使用安全性的重要途径之一     

基于铬层与基体结合部疲劳损伤的转管机枪身管寿命预测研究

为预测身管寿命,采用热-固耦合场理论、冲击疲劳理论和疲劳累积损伤理论,提出基于身管铬层与基体结合部疲劳损伤的身管寿命预测方法。以3管转管机枪的身管寿命为例,建立有限元模型,计算铬层与基体结合面的耦合应力,预测身管寿命,理论计算与试验结果进行了对比,数据基本吻合;分析身管镀铬层厚度对身管寿命的影响。研究结果表明：铬层与基体结合部的疲劳损伤寿命基本决定了身管的寿命,证明所提寿命预测方法是可行的;适当增加镀铬层厚度,可以提高身管寿命。     

某型舰炮身管表面锈蚀机理

针对舰炮身管表面镀铬层出现剥落、散在无规则及深浅不均的锈坑现象,对舰炮身管表面锈蚀机理进行 研究。通过对样件锈蚀表面宏观形貌及微观腐蚀形貌观察,结合锈蚀坑分布规律统计分析,得出镀铬层的开裂剥落 是造成身管锈蚀的根本原因。实验结果表明：腐蚀介质抵达基体界面,形成锈蚀源,其中氯离子起到先锋作用;镀 铬层鼓泡以及蚀坑扩张时的铬层断裂,均为固支弯曲断裂模式。该研究可为舰炮身管表面防腐蚀及锈蚀修复方法提 供参考依据。