基于流固耦合的某速射火炮身管温度场仿真计算

身管液冷技术在陆基防空反导小口径自动炮和舰载中、小口径火炮中被广泛采用，研究身管液冷状态下的温度分布对于火炮发射安全性和武器效能具有重要意义。以某速射火炮为对象，采用热一流一固耦合的研究方法，将传统的温度场计算方法割裂的固体计算区域和流体计算区域祸合在一起，建立了统一的流固传热数学模型。此外，使用计算流体动力学( CFD)计算方法，计算了材料性能与温度相关的身管系统的瞬时温度历程，并讨论了不同速度的冷却水流对身管温度的影响。研究表明：炮身水流外冷却方式对于外壁的冷却效果非常明显，沿径向向内，水流带来的温度降幅逐渐减少；靠近炮管外壁表面的冷却水流薄层温度变化很大；当入口水流超过～定速度时，通过增加流速带来的身管温度场下降很小。     

带内表面裂纹的身管温度应力强度因子研究

用权函数方法导出了身管内表面的半椭圆形裂纹出于温度应力引起的应力强度因子的公式，这些公式可用于计算身管在不同的裂纹深度、形状、温度、材料和尺寸下的温度应力强度因子；同时，还研究了温度应力强度因子随表面裂纹深度和形状变化的规律，这些规律对厚壁筒构件的设计及工程应用提供了参考。     

火炮身管内膛表面材料强度退化机理研究

火炮射击过程中身管在热、力、化学等因素作用下平均每发射弹会产生微米级的内径扩大，是造成身管寿命终止的主要原因，研究内膛表面材料性能变化对揭示身管寿命机理具有重要意义。通过分析某寿命终止155 mm口径身管内膛表面材料组织和性能，获得了身管不同部位内膛表面材料组织形貌、厚度及力学性能。结合身管温度梯度分析及烧蚀模拟试验，揭示了身管内膛表面材料性能退化机理及其与射弹发数关系。研究结果表明：身管寿命初期，在火药燃气作用下内膛表面材料相变形成硬化层，硬化层厚度与火药燃气温度及作用时间相关；身管烧蚀磨损发生在硬化层表面，硬化层常温下硬度和强度比基体高1倍，呈现硬脆特征，高温下硬度和强度迅速下降，在弹带摩擦及气流冲刷下造成身管内径扩大。     

速射身管发射状态下的温度场及热应力的有限元分析

文中首先给出如何确定身管非稳定温度场的边界条件及热力学参数;其次,以某口径火炮身管为例,对连发状态的身管温度及热应力场进行有限元数值分析.得出连发时温度和动态热应力的变化规律;对身管设计及提高身管的使用寿命有着指导和借鉴作用.     

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。     

某火炮身管温度仿真计算及其影响因素分析

火炮射击过程中高温燃气周期性冲刷身管内膛导致内膛壁温升高,从而使以含能材料为主配方的全可燃装药在膛内滞留期间面临更多的热安全性问题.利用双一维两相流内弹道模型与一维轴对称热传导模型,描述了某火炮连续发射过程中的身管传热规律,并通过计算结果与试验测试结果对比,验证了模型的准确性.在此基础上,对持续射击20发的身管温度场进行了仿真,得到了每发射击完成后身管内、外壁温度分布规律,分析了不同环境温度、射击工况及身管厚度对身管温度变化规律的影响.结果表明,射击工况对药室内膛温度径向分布规律影响较大,环境温度、身管厚度对其的影响很小;环境温度、射击工况对药室内壁最高温度达到火炮报警温度的射击发数影响较大,身管厚度对其的影响很小.计算结果为装药射击热安全性、身管热烧蚀及寿命研究提供参考.     

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.     

速射武器身管的热-应力耦合场分析

对速射武器身管受热的物理过程进行了细致的分析,并确定其边界条件,以某机枪为例用有限元法对连发射击过程中身管的热-应力耦合场进行了计算,求得身管管壁上距内膛表面不同截面处的温度-时间曲线和铬层与基体金属结合处的全等效应力-时间曲线及温度等效应力-时间曲线,计算结果与实测结果基本一致。结果对身管的设计和寿命预估具有指导意义。     

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。     

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。     

枪管污染和发热对狙击步枪射击精度的影响

为研究高精度狙击步枪在训练和作战使用时,由于射击导致枪管污染和发热后,枪械再次射击时的射击精度变化情况,以国内已经大量装备的某型7.62 mm高精度狙击步枪为研究对象,制定实验方案,在室内靶场100 m射击距离上,采用精度射击试验台对某型7.62 mm高精度狙击步枪进行射击精度试验,分析枪管污染程度和温度随射弹量的变化规律,探讨枪管污染和发热对高精度狙击步枪射击精度的影响。结果表明:射弹量在1个弹药基数内,随着射弹数的增加,高精度狙击步枪枪管内膛污染加重,枪管温度明显升高,但显著低于小口径步枪; 无论是枪管污染加重还是枪管温度升高,对高精度狙击步枪100 m射距处的射击精度均无明显影响。用户不需要在1个弹药基数内频繁擦拭枪管,也不需要分别在冷、热枪管状态下进行射校矫正。     

坦克炮管温度场的有限元计算

应用有限元离散结构建立了具有太阳辐射、对流及射击过程对坦克炮管影响温度场的简化模型,对仅受太阳辐射以及太阳辐射与发射过程相耦合的炮管温度场进行了计算,求得炮管径向和轴向的温度一时间曲线,并分析了炮管外表面温度的变化规律。本模型的仿真结果与测试结果基本吻合,该模型对坦克的红外热像建模、红外识别及红外隐身设计以及射击修正具有实用价值。     

太阳辐射下狙击枪枪管附近流场及其热变形分析

为了预测太阳辐射下狙击枪枪管的变形程度,以某型狙击步枪为基础,在CFX与ANSYS中建立了空气与枪管的瞬态热流固耦合计算模型,求解枪管与外界的对流换热系数。计算得到3 h内枪管附近对流换热流场情况、枪管温度场变化以及最终枪管变形程度,分析枪管周围流动换热结果和枪管热变形结果,显示太阳辐射作用下枪管周围会产生显著热对流效应,热气流上升最终产生复杂的大气湍流运动影响了枪管周围的对流换热,对流换热系数明显不是定值。分析结果表明：辐射导致的温差与自重耦合作用下枪口弯曲角可达约0.3 mil,将对狙击步枪的射击精度产生明显影响。该研究为该类狙击步枪枪管受太阳辐射导致的热变形提供数值预测方法。     

缓冲器对某型遥控武器站炮口扰动的影响

为减小某型遥控武器站连续射击时的炮口扰动,提高其射击精度,建立了一种遥控武器站动力学模型,对其缓冲器进行研究。按照炮身运动环4个阶段建立了运动微分方程得到炮身运动诸元以及缓冲簧的受力情况,并通过三维建模软件SolidWorks以及动力学分析软件RecurDyn,在缓冲器不同刚度、阻尼和预压力等条件下,对遥控武器站进行了连续射击的动力学仿真。该研究获得了炮口振动特性曲线,掌握了缓冲器对武器站连续射击炮口扰动的影响规律。     

基于最小二乘法线性回归的火炮身管寿命预测

为直观地判断火炮身管寿命,提出一种基于最小二乘法线性回归的预测方法。根据靶场身管参数试验数 据分析火炮身管内径、药室长、弯曲度随射弹数增加的变化规律;利用最小二乘法线性回归建立火炮身管磨损量与 射弹数的关系式;对某型火炮身管寿命进行预测。结果表明：该方法能够较为准确地预测出火炮身管寿命且算法简 单,便于推广使用,可为火炮射击、退役报废等提供重要参考。     

基于最小二乘支持向量机的机枪加速寿命建模

加速寿命试验可以在短时间内对产品寿命进行有效评定。针对以往机枪加速寿命模型预测能力较差的问题,提出了基于最小二乘支持向量机（LS-SVM）建立加速寿命模型的方法。以机枪寿终射弹量为寿命特征,以试验环境温度、枪管最大温度、射击间隔时间以及最大膛压为加速应力建立了机枪加速寿命模型。由于LS-SVM的参数选取是决定建立模型优劣的关键因素,因此采用遗传算法对LS-SVM参数进行优化选取。通过分析比较LS-SVM与常规变换方法和BP神经网络建立的机枪加速寿命模型精度,结果表明利用LS-SVM方法建立的模型明显优于其他2种方法,验证了LS-SVM在机枪加速寿命预测应用中的有效性。     

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。     

典型大口径转管机枪热-固耦合效应研究

为研究交变动态热载荷对转管机枪可靠性的影响,建立了某大口径三管转管机枪身管的3种有限元模型。基于一定边界条件和射击规范,对温度和应力数值结果进行了比较。研究了身管温度场及在高频热流脉冲和动态膛压脉冲载荷作用下身管动态耦合应力场的分布规律。结果表明:对于转管机枪,身管温度场可以采用2D轴对称模型以减少数值计算量; 从传热的角度,对由于身管高速转动引起的强迫对流散热,薄身管壁有利于散热,提高寿命; 在发射过程中,热应力对身管强度和寿命的影响起主导作用。     

某型火箭炮身管改进设计

某型火箭炮增程改进设计中,在增加身管长度的基础上,为控制身管质量并满足刚度要求,提出玻璃钢身管内衬金属材料的设计方案。分析影响身管刚度的因素并进行理论计算,利用ANSYS有限元软件进行仿真分析,并进行弹道炮射击试验验证。结果表明：玻璃钢内衬金属材料的身管设计方案取2种材料所长,能够同时满足质量小、刚度大、抗烧蚀和耐腐蚀的要求,且弹道炮立靶射击精度和射程均达到了改进设计目标,为火箭炮身管的改进设计提供了理论依据和工程应用参考。     

基于四目曲柄链式结构的火炮窥膛装置

为对身管内膛进行窥膛检测,提出一种窥膛采集装置结构设计新思路.采用机械部件电子化的方法获取火炮身管内膛全景图像,设计一种四目曲柄链式支架结构,其4路CCD摄像头周向阵列排布,轴向均匀排布;每路摄像头正对管壁获取90°视场,完成内膛径向全景拍摄.计算分析和实验结果表明:该设计满足口径和视场要求,且成像质量高、畸变小,每路摄像头的视频流相互独立,高效采集与压缩,较传统结构采集效率大幅度提高,性能效果良好.