身管弹膛和线膛同锻时下沉段皱褶试验研究及其预测

身管弹膛和线膛同锻技术可用径向精锻工艺同时锻出弹膛和线膛,将彻底解决身管弹膛和线膛的同轴度问题,改善坡膛部位的表面粗糙度。为提高身管内膛的加工质量,以身管弹膛和线膛同锻为对象,研究下沉段和锻造段产生的褶皱以及演变情况。通过对身管径向锻打试验和形貌试验分析处理,发现弹膛和线膛同锻时：下沉段将会产生褶皱,并且褶皱随着变形的增加,深度不断加深;当进入锻造段后,部分皱褶被打平,变成了身管微裂纹。应用有限元分析软件Abaqus对身管锻打过程进行仿真,发现锻打过程中下沉段径向应变ε_r和周向应变ε_θ的比值[SX(]ε_r[]ε_θ[SX)]为定值,不同锻打工艺参数下应变比值不同。研究结果表明：身管下沉段单次锻打产生的褶皱深度Δd_w可以用径向应变ε_r和周向应变ε_θ的比值[SX(]ε_r[]ε_θ[SX)]来表示,拟合的关系式为Δd_w=0.058 8[SX(]ε_r[]ε_θ[SX)]+0.052 1;结合锻打所需的锤数可以预测出下沉段结束位置的皱褶深度,皱褶深度的预测有助于防止褶皱在锻造段挤压形成锻造身管的微裂纹。     

冷径向锻造身管壁厚方向变形不均匀性研究

为分析冷径向锻造身管壁厚方向变形的不均匀性,通过有限元软件、力学拉伸试验和织构研究了身管壁厚方向的变形场、力学性能和织构组分。研究结果表明:身管成形过程中,外表层和中间层材料存在较大剪切应力,受剪切应力的影响,身管壁厚方向各层材料流动速度不一致,引起身管锻造变形不均匀;受变形不均匀的影响,在身管中间层和外表层材料形成剪切织构({112}〈111〉,{110}〈001〉),导致锻后身管壁厚方向轴向强度性能存在明显差异,表现为外表层和中间层强度较低,内表层强度较高。为对锻后身管壁厚方向变形不均匀性进行控制,通过控制变量法分析了锻造比、尾端压强、轴向进给速度、锤头锻打频率和锤头角度对身管中间层剪切应力分布的影响规律。分析结果表明:选用较高的轴向进给速度和较小的锤头入口角可以降低成形身管壁厚方向的变形不均匀性。     

身管线膛精密径向锻造的锻透性分析

身管内膛加工质量是保证身管武器射击精度的重要因素,为了提高身管内膛加工质量,利用有限元模拟方法研究身管内膛线膛部位的锻透性,并建立线膛锻透成形极限图。以5.8mm口径线膛身管为研究对象,应用有限元软件Abaqus,建立了身管径向锻造三维有限元模型,分析了膛线成形中应力与应变的变化规律。结合内膛锻不透缺陷的表现形式,建立了以径向和周向塑性应变为表征的身管内膛膛线锻透的判断准则,即阳线上各点周向塑性应变变化率为0和径向塑性应变小于0. 根据判断准则,得到以锻造比及毛坯径比为表征的身管锻透极限图,并通过试验验证了锻透极限图的准确性。试验结果表明：模拟的毛坯外径与内径比为3.7时锻透的锻造比极限值为21.18%,在试验的未锻透与锻透的锻造比之间,证明了锻透判断准则和锻透极限图的合理性。     

身管冷径向锻造残余应力的模拟研究

身管是自动武器的核心部件,冷径向锻造是制造自动武器身管的一项新工艺。冷径向锻造后的身管通常需要后续的机械加工,且身管在动态的高温高压载荷下射击,锻后身管中的残余应力将直接影响身管后续加工中的尺寸精度及身管使用时的疲劳寿命。为了预测冷径向锻造身管内的残余应力分布及影响残余应力分布的各参数,建立了模拟身管的冷径向锻造及回弹过程的轴对称模型,得到了回弹后身管内的残余应力分布,并分析了各工艺参数对锻后身管内残余应力分布的影响规律,为进一步控制锻后身管内残余应力的分布提供了参考。     

盲孔法测定径向锻造身管表面残余应力方法研究

为了找到一种准确简便的测定径向锻造身管表面残余应力的方法,将盲孔法测定平板表面残余应力的理论应用到径向锻造身管表面残余应力的测量中。应用有限元软件计算盲孔释放系数的方法,对比在相同材料、受力情况与钻孔条件下的身管表面盲孔的释放系数与平板表面盲孔的释放系数,得到了盲孔法测定径向锻造身管表面残余应力的适用性范围;结合有限元法计算释放系数的优越性,提出了一种通过直接修正释放系数来修正由钻孔偏心所引起的误差方法。并应用盲孔法测定了某锻后身管表面的残余应力。     

身管精锻过程跨尺度多晶体塑性有限元模拟与织构预测

径向精锻是一种先进的身管制造方法。身管的多晶体材料经锻打后,晶粒会发生择优取向形成织构,在宏观上产生各向异性现象,这是普通有限元方法所无法模拟的。利用数学软件Matlab和程序设计语言Python联合编程并结合有限元软件ABAQUS,建立身管精锻宏观模型和细观多晶体模型;应用跨尺度方法,开发程序实现了宏观力学至微观力学边界条件的继承,使研究的晶粒尺寸达到了真实尺寸。分析微观多晶体模型的晶粒取向变化,使用Matlab编程画出锻后多晶体材料的极图和取向分布函数图,并用X射线衍射试验验证了晶粒取向模拟结果的正确性。建立了将身管径向精锻从宏观锻造到细观织构联系起来的一套研究方法,为预测锻后身管性能变化提供了思路。     

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。     

基于随动边界的火炮身管热力联合效应数值分析

为探索高温高压火药燃气瞬态冲击效应对身管刚度和强度响应的影响,采用有限元方法建立了某大口径火炮身管三维数值模型,并定义了热力载荷边界随弹丸运动而变化的动态过程。通过数值计算得到了首发弹射击条件下身管温度分布演变过程,进一步分析了热冲击载荷、压力载荷以及热力联合效应对身管动态应力响应的影响。计算结果表明：轴向不同位置热冲击载荷的差异性引起轴向非均匀温度分布,使得出现较大的轴向温度梯度,带来显著的轴向温差应力;在温度响应剧烈区域,周向表现为压应力的温差应力与周向表现为拉应力的载荷应力相互叠加,使得内壁质点周向应力分量表现为拉应力与压应力的交替作用,与压力激励作用结果相比,内壁高应力区应力幅值得到一定减弱并随温度响应呈现先下降、后上升的趋势。     

45~#钢支座裂纹分析

对45#钢圆环套筒类支座零件进行调质处理时,发生多个零件圆环内壁出现裂纹。采用ICP光谱仪、光学金相显微镜及宏观特征等手段对裂纹特征进行分析。结果表明:该批零件因热处理淬火前锻造工艺控制不当,锻造温度高,达到该材料的过热、过烧温度,造成显微组织中非金属夹杂物沿晶界分布及混晶、晶粒粗大等缺陷,弱化了晶界,降低材料的强度和韧性;淬火过程中由于热处理残余应力的变化,在几何尺寸小、形变空间也小的内壁形成沿晶扩展的淬火裂纹。     

高强高导弥散强化铜材料可锻性研究

对高强高导弥散强化铜材料的可锻性进行了实验研究。针对预成形坯材料在锻造过程中出现裂纹的问题 ,制定了预成形坯材料相对密度对可锻性的影响 ,打击能量对预成形坯材料可锻性的影响 ,应力状态对预成形坯材料可锻性的影响 ,预成形坯材料的高径比对可锻性的影响四种实验方案进行研究 ,研究表明 :使用合理的工艺参数能够对低塑性的弥散强化铜材料进行锻造加工 ,可以大大改善材料的工作性能。     

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。     

身管线膛精锻加工过程的数值分析

身管线膛精锻加工工艺是身管线膛制造的一种新方法,它可以提高生产效率,同时经线膛精锻加工的身管寿命比常规加工的身管寿命高,精度好。因此,身管精锻工艺已广泛应用到欧美的大部分速射武器身管的制造中。我国虽然已将线膛精锻工艺应用到部分口径的身管生产中,但其工艺基础理论分析却非常缺乏。以某身管线膛精锻加工过程为研究对象,用基于拉格朗日方程的大变形刚塑性有限元商用软件DEFORM-2D对身管精锻加工过程中的应力及径向锻压力进行建模和数值分析,用实验验证了模型和方法的正确性,改变精锻加工过程中的加工参数和模具结构参数,找出加工参数和模具结构参数对加工过程的定量影响规律,从而对实际加工过程中工艺参数的优化选取提供参考。     

脉冲爆轰发动机管壁传热特性的数值研究

为了探究爆轰过程中燃烧室管壁的传热特性,采用CE/SE方法和有限差分法分别对气液两相脉冲爆轰发动机(PDE)内流场及燃烧室管壁的传热问题进行了数值计算; 运用能量平衡法解决了内流场与管壁传热之间的耦合传热问题。计算结果表明,对于燃烧室内任一截面,爆轰波扫过或膨胀波到来时,对流换热强度大,内壁面温度上升快; 单次爆轰时,爆轰波所在区域温度高达2 000 K,管壁靠近内壁面的区域径向上存在较大的温度梯度,靠近外壁面的区域温度几乎没有变化; 当燃烧室管口压力恢复到环境压力时,从PDE头部到尾部,管壁内壁面温度逐渐升高,热量传递区域厚度逐渐增大。     

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 ℃。     

基于模板匹配的火炮身管膛线缠角测量技术研究

针对火炮身管膛线缠角测量问题,提出了一种新的基于模板匹配的方法。测量系统由光学传感器、定心机构、驱动装置及控制计算机组成。利用激光器投射一环形结构光同炮管内表面相交,形成炮管截面的轮廓曲线,CCD相机获取该截面轮廓图像。通过模板匹配得到不同截面图像之间的相对旋转角度,根据两个截面之间的轴向距离和旋转角度,确定炮管的膛线方程,再由膛线方程计算缠角值。同基于Radon变换的方法相比较,该方法不依赖于图像边界提取,对图像质量要求不高,理论分析及实验数据均表明,该方法具有较高的测量精度和稳定性;     

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。