复合材料身管热-结构耦合分析与优化

以纤维增强复合材料身管为研究对象,采用有限元方法,建立复合材料身管热-结构耦合分析模型并进行了求解;基于有限元分析模型和优化方法,建立了以复合材料身管质量最轻为优化目标、复合材料身管结构刚强度为约束的优化模型,对各层材料厚度和复合材料缠绕角进行了优化设计,优化方法采用多岛遗传算法和序列二次规划相结合的综合优化策略.优化算例表明,在满足身管强度和刚度要求的条件下,优化得到的复合材料身管设计方案,质量指标得到了很好的改善.     

复合材料身管三维有限元分析与结构优化

复合材料在火炮身管的应用有利于减轻身管质量,提高身管刚度.基于三维各向异性单元和三维层合单元分别建立了复合材料身管有限元分析模型,进行了强度分析和模态分析.结合复合形优化算法,对复合材料身管进行了结构优化,优化结果表明,复合材料身管在满足强度和减重要求的条件下,刚度得到了很大的提高.     

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。     

火炮身管阳线损伤机理分析

某大口径火炮实弹射击中,身管阳线起始段出现双侧棱边断裂损伤,为揭示阳线损伤故障原因,进而采取措施避免损伤复发,基于动态非线性有限元方法,建立了弹丸身管耦合系统非线性有限元分析模型,综合考虑了弹丸装填不到位、初始装填角、非均匀摩擦、弹炮间隙多因素对弹丸身管耦合系统动力响应的影响。在此基础上,研究了弹丸装填不到位造成的冲击加载对身管材料动态性能的效应。结果表明,弹丸挤进过程在阳线起始段引起的等效应力已接近身管材料动态屈服极限,同时,弹丸装填不到位使弹带与身管撞击力提高约3.7倍、身管材料动态断裂韧性降低35.6%,最终导致阳线起始段局部双侧棱边的断裂损伤。验证试验复现了阳线损伤现象,确认了阳线损伤机理理论分析的正确性。     

金属内衬对复合材料身管热性能影响分析

采用金属内衬外部缠绕纤维增强复合材料，可以减轻纯金属身管质量，提高身管刚度。为了详细分析复合材料身管金属内衬对身管热性能影响，运用有限差分法建立了武器发射时复合材料身管瞬态数值传热模型，并结合多个设计方案编制通用程序对金属内衬影响复合材料身管热性能进行数值定量分析。结果表明金属内衬厚度对于复合材料身管的传热性能有很大的影响，内衬层越厚对提高复合材料身管热性能越有利，但影响减重，因此在复合材料身管的综合优化设计中必须有重点综合考虑。     

复合材料身管压力场/温度场全等效应力有限元计算

建立了复合材料身管连续射击时的边界条件和有限元模型。对复合材料身管在连续射击过程中火药燃气压力和火药燃气温度场的动态全等效应力及其分布进行了数值仿真。所得到的结果,为复合材料身管的应用提供了一定的参考。     

火炮身管热传导有限元仿真分析

针对火炮连续发射过程中火药气体的热作用使身管温度持续升高而造成的安全性问题,分析了火炮发射过程中热量的传递过程,建立了身管热传导数学模型.利用ANSYS软件建立火炮身管有限元模型,模拟火炮发射过程中火药气体与身管内壁的强制对流、外壁与环境的自然对流,并且考虑了开闩后外界空气流入与身管内壁间的自然对流.经仿真求解得到了发射后瞬间和冷却一段时间后身管径向温度分布,以及连续发射过程中身管径向各节点的温度一时间变化曲线,其规律与实验测试结果相一致.研究成果为火炮的安全使用提供了一定的理论依据.     

复合材料身管的动态冲击响应分析

为探究复合材料身管在火药高压动态冲击下的动力学响应,采用有限元方法对纤维增强金属内衬复合结构的损伤过程进行分析,并引入Cohesive黏结单元表征界面黏结条件。在此基础上,进一步建立了考虑界面黏结特性的复合结构身管动态冲击有限元模型。利用VDLOAD子程序实现了对身管的动态加载,分析了缠绕预应力和脱黏对复合身管应力-应变传递规律的影响,并与实验数据进行了对比分析。结果表明:界面脱黏会破坏结构整体性,影响应力-应变传递规律,大幅降低身管的承载能力,一定的缠绕预应力可以增强复合身管结构的整体性,从而提高其承载能力,而过大的预应力会加快其整体发生损伤。     

某火炮射击稳定性的总体参数灵敏度分析与优化

为保证火炮射击精度,火炮系统应满足射击稳定性条件。通过分析全炮的拓扑结构,建立火炮刚柔耦合动力学模型。考虑身管、摇架和上架的变形,取3部件为柔体,其余部件为刚体,分析火炮射击稳定性。建立火炮射击稳定性敏感度分析模型进行总体参数灵敏度分析,寻求对射击稳定性影响较大的设计变量。采用遗传算法对火炮射击稳定性进行了优化,有效降低了下架前座盘跳高,提高了射击稳定性。该动力学分析和优化为火炮的总体设计提供一定的理论依据。     

烧蚀磨损理论下多参数变化对火炮内弹道性能的影响分析

为研究火炮烧蚀磨损对内弹道性能的影响,基于烧蚀磨损理论,建立了经典内弹道模型和火炮烧蚀模型。针对某火炮的试验结果进行了数值模拟,获得的不同磨损量条件下启动压力变化规律与实测结果相吻合。在此基础上,数值分析了多参数变化对火炮内弹道性能的影响。结果表明:身管烧蚀磨损会导致弹丸速度和火炮膛压减小; 增大装药量后,随着身管磨损量增大炮口相对初速减退量减小; 增大火药力后,随着磨损加剧炮口相对初速减退量增大; 全装药条件下,射弹数达到约420发时,炮口初速相比于新炮下降了7.53%,达到身管报废标准,此时身管报废。     

考虑损伤的纤维复合材料抗弹性研究

基于含损伤纤维复合材料的动态本构关系和失效准则，建立了纤维复合材料抗弹性工程分析模型，讨论了纤维类复合材料的抗弹性问题，分析了损伤对材料抗弹性的影响。     

计及柔性效应的火炮身管动力学模型分析

针对火炮发射过程中身管受载的复杂性，以内弹道方程为基础，考虑发射过程中身管受载的实际规律，计及身管的柔性效应，建立描述身管振动响应规律的动力学方程组。采用模态叠加法，以身管的固有振型为模态函数，对动力学方程进行离散，联立内弹道方程进行数值求解，给出了发射过程中身管的频率响应和振动特性分析，为火炮总体性能整合和射击精度分析提供了理论参考。     

烧蚀磨损对某大口径自行加榴炮动态响应的影响

为提高大口径自行加榴炮身管寿命和射击精度等总体关键性能指标,以反后坐装置全对称布置且混合膛线的某大口径自行加榴炮为例,研究了火炮身管烧蚀磨损对火炮动态响应的影响。在对内膛测径数据分析的基础上提出了烧蚀身管建模方法。建立了不同烧蚀状态身管有限元模型,在此基础上进行了数值仿真,得到了膛内时期火炮的动态响应,以及膛内时期弹丸导转侧力矩、定心部力、炮口振动随烧蚀磨损的变化关系。分析了烧蚀磨损状态对火炮动力学响应的影响,结果表明,随着烧蚀磨损增大,弹丸的定心部力逐渐增大,炮口振动位移增加不明显,炮口振动速度有所增大。研究结果对该类火炮的总体结构设计具有一定的参考价值。     

身管与衬瓦接触的动力学数值分析

基于多体系统动力学理论,利用多体系统动力学软件ADAMS建立了某型火炮发射时身管与衬瓦的多体动力学模型,在考虑身管与衬瓦间隙因素的情况下,对该火炮发射时身管与衬瓦接触的动力学问题进行了研究。建模时采用Hertzian模型模拟衬瓦和身管之间的接触碰撞,考虑了影响碰撞的刚度和阻尼因素。结合相关参数使用Fortran语言编程,建立了身管后坐运动的多刚体动力学模型。通过数值计算得到了火炮后坐时身管与衬瓦间的接触力,与经典方法获得的接触力进行了比较分析。     

身管结构对坦克炮射击密集度影响分析

前抽身管火炮和非前抽身管火炮的结构型式区别很大,并且各类前抽身管火炮的结构也不尽相同.由于身管后坐复进运动中支撑定向情况的不同,对火炮的射击密集度产生的影响也不相同.根据坦克炮前抽结构型式身管和非前抽结构型式身管的连接方式,分析了两种结构型式对火炮射击密集度的不同影响,为前抽身管结构设计提供了参考依据.     

线膛复合身管无座力炮内衬厚度影响分析

针对线膛复合身管无座力炮内衬厚度与疲劳寿命关系研究较少的问题,对线膛复合身管无座力炮内衬厚 度对火炮的影响进行研究。选择各向同性弹性材料模型,使用有限元软件ls-dyna 进行数值仿真,结合局部应力应变 法,分析了弹丸挤进、内压载荷对不同厚度内衬和纤维等级复合材料层的线膛复合身管裂纹形成寿命的影响。计算 结果表明：增加内衬厚度可以有效减小局部最大应变,高等级的碳纤维更加适合轻质量无座力炮的减重。     

镀镍缠绕式复合材料身管径向散热过程的数值模拟

提出一种提高复合材料身管散热性能的方法,拟在缠绕身管的复合材料表面镀镍后再进行缠绕,以提高复合材料身管散热性能。应用ANSYS有限元分析软件模拟了镀镍缠绕式复合材料身管和普通复合材料身管的径向传热过程。分析发现镀镍缠绕式复合材料身管内部热量主要经镀镍层传至身管表面进行散热,在相同射击和冷却条件下镀镍缠绕式复合材料身管内层温度更低。相比普通复合材料身管,镀镍层开辟了新的热量传递途径,提高了复合材料身管的散热性能。     

基于ANSYS的身管自重弯曲的有限元计算

应用有限元方法建立了大口径火炮身管自重弯曲的计算模型和身管实体的精确模型，求解出身管在重力作用下的弯曲变形量．用ANSYS不同单元类型进行求解，计算了身管弯曲角与射角的关系，并将计算结果同传统的理论计算结果进行了比较和分析，证明了建立身管精确模型的必要性、可行性与优越性．     

复合材料身管的热残余应力

根据圆筒的弹性力学理论,建立了带金属内衬的纤维增强复合材料身管的热残余应力模型,考虑了复合材料加工固化过程中的温度和缠绕角度等参数的变化.基于该模型编制了计算复合材料身管的热残余应力的程序.以T300/环氧树脂复合材料为例,计算了复合材料身管径向、周向和轴向的热残余应力,得到复合材料身管中的热残余应力随缠绕角的变化规律.结果表明复合材料身管中由固化温度变化引起的周向和轴向的热残余应力比径向的大,缠绕角在45°左右时各个方向热残余应力值最大.     

以火药为能源的炮口式火炮动态后坐技术研究

在分析国内外以火药为能源的火炮动态后坐技术现状的基础上,设计了置于火炮炮口处的火炮动态后坐发生装置。以某型地面火炮为例,建立了该方法的内弹道计算模型,并进行了内弹道方程组的诸元解算,并以某型地面火炮炮身为研究对象,基于有限元仿真软件ABAQUS对火炮动态后坐过程中的火炮身管进行了有限元仿真,同时也进行了多次以火药为能源的火炮动态后坐试验。仿真和试验结果均证明,结构设计合理、可靠,满足火炮动态后坐性能检测要求。