模具参数对钨合金液力挤压应力场及模具压力影响数值仿真研究

用弹塑性有限元法研究模具参数对钨合金液力挤压应力场及模具压力的影响规律。结果表明:随模具角度的增大,制品表面的拉应力、周向拉应力、外圆附近剪应力呈不断增大的趋势;摩擦因数对轴向和周向应力的影响较小,径向拉应力随摩擦因数的增大而减小;随着挤压比的增大,表面轴向最大拉应力、径向压应力随之增大,而周向应力、径向拉应力随挤压比增大而减小;模具角度为30°时,模具压力最小;随着挤压比的增加,模具压力增大。     

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。     

某大口径机枪枪管的瞬态热弹耦合动力响应分析

以某大口径机枪枪管为研究对象,建立了枪管的热弹耦合模型,使用与温度相关的材料模型,计算了枪管在高频循环动态热脉冲和动态压力脉冲共同作用下的瞬态温度响应和瞬态应力响应,分析了热脉冲与压力脉冲的耦合效应,并对拟静态计算法和动态全耦合计算法进行了比较.研究表明:热脉冲与膛压脉冲的动力响应具有表面效应,枪管内膛表面承受脉冲冲击最强,动力效应最大,动力效应沿径向向外迅速衰减;热脉冲与膛压脉冲在内膛表面耦合效应十分明显,采用动态全耦合方法进行计算更加准确.     

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。     

含缺口PBX药柱热冲击响应的数值模拟及试验

针对脆性高聚物黏结炸药(polymer bonded explosive,PBX)的热应力破坏问题,开展了缺口药柱热冲击响应的数值模拟和实验研究.采用温度相关的热弹塑性模型对PBX药柱在50℃平衡温度、10℃·min-1条件下的热传导和热应力进行了二维轴对称仿真分析,并利用温度-应变-声发射监测技术,在温度箱风冷试验中进行了验证.数值模拟结果表明,降温温度冲击过程中,受热近表面存在一种温度边界层,使内外表面产生较大温差,并在药柱柱面中心产生超过PBX拉伸强度的轴向拉应力;位于柱面中部的缺口使热应力放大,并加剧试样破坏的进程,其中R2的缺口圆柱的应力梯度变化最明显,应力集中系数超过1.6.实验结果表明,PBX药柱热冲击破坏方式为表面拉伸热应力超过材料拉伸强度导致的脆性断裂破坏,热冲击破坏时的信号特征表现为应变发生突变并产生高幅值声发射信号.数值模拟得到的缺口药柱、无缺口药柱的临界断裂温差分别为8.3℃和12.6℃,试验数值分别为9.2℃和12.5℃,二者吻合良好.     

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.     

基于统一强度理论的自紧身管残余应力分析

基于统一强度理论,考虑材料拉压异性和鲍辛格效应的影响,采用双线性强化材料模型对身管进行自紧分析,推导了身管加载应力、卸载应力、残余应力及工作应力的解析解,得到了弹塑性交界面半径、反向屈服半径的计算公式,提出了最佳自紧度和自紧压力的计算方法,通过与实验数据进行对比,验证了本文理论解的正确性,分析了材料拉压强度比、中间应力系数等参数对身管残余应力、弹塑性交界面半径、反向屈服半径和最佳自紧压力的影响。结果表明,反向屈服半径、弹塑性交界面半径、弹塑性交界面处残余应力与材料拉压强度比成正比,与中间应力系数成反比;最佳自紧压力与材料拉压强度比成反比,与中间应力系数成正比。     

基于旋转三角形模型的负泊松比蜂窝材料面内动态压溃行为数值模拟

为提升蜂窝材料的动态力学性能,在旋转三角形变形构型基础上,针对不同旋转角建立了对应的蜂窝结构模型。利用这些蜂窝模型通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA数值模拟了不同旋转角的蜂窝在冲击载荷作用下的面内动态压溃行为;同时考虑冲击速度的影响,研究了旋转角和冲击速度对其变形模式以及平台应力的影响规律,并对比分析了旋转三角形蜂窝的吸能特性。结果表明：旋转三角形蜂窝的变形过程一般可分为旋转变形和坍塌变形两个阶段,其应力-应变曲线具有“两段式应力平台”特征,且表现出明显的动态拉胀效应;当旋转角增大或冲击速度提高到某个临界值后,其应力-应变曲线只具有一个平台段,动态拉胀效应逐渐减弱;在不同冲击速度下,通过与相对密度相同的正六边形蜂窝相比较,旋转三角形蜂窝具有更好的能量吸收能力。     

穿甲弹异物阻滞膛炸机理数值仿真分析

以某穿甲弹近炮口处膛炸故障为背景,针对膛内存在异物时弹体和身管动态响应进行数值仿真,探讨膛炸机理并为故障分析与归零提供依据和参考。设定了两种典型异物阻滞形式：一是 异物阻滞造成弹体速度急剧下降或卡膛;二是弹体直接高速冲击膛内沙土类异物。采用有限元分析AUTODYN软件进行了多种不同工况数值计算,得到了弹体速度急剧下降时弹底燃气流场压力特征、身管变形与破裂形态,以及弹体高速冲击沙土类异物时结构动态响应、身管变形与破裂形态。研究结果表明：弹体膛内突然受阻和速度急剧下降,导致底部燃气中形成激波和局部高压区,局部高压区的存在可造成膛炸;弹体膛内近炮口处高速冲击沙土,身管受到复杂的强动载荷作用并可造成膛炸;数值仿真结果与实际故障情况相吻合并得到了故障复现试验的验证。     

螺栓法兰连接结构的拉压不同刚度动力学模型

由于螺栓法兰连接结构轴向拉压刚度不同,针对这一特性引入拉压刚度不同的双线性弹簧单元,提出两自由度拉压不同动力学机理模型,使用区域法进行了动力学响应的解析推导;同时开发了自适应递归过零检查算法对模型的冲击响应进行数值计算.理论分析与数值模拟结果均表明,拉压不同刚度动力学模型在横向冲击荷载作用下产生横纵耦合振动响应,且输出...     

磁场方向对圆筒结构内高温导电气体流动与传热特性的影响研究

火药气体在高温环境下会发生电离形成热等离子体,从而具有良好的导电性。针对高温火药气体对武器身管产生热烧蚀的问题,提出一种应用磁控等离子体降低身管内膛表面温度的方法。运用磁流体描述法构建高温导电气体在圆筒结构中的湍流耗散模型,研究了不同磁场方向对导电气体黏性效应及腔体壁面温度的影响,并采用红外热成像技术测试了同轴磁场对导电气体传热特性的影响。结果表明：与流动方向相垂直的磁场,可以有效地降低导电气体的湍流动能和湍流黏度,削弱其传热能力,并且流动分布出现各向异性特征,沿磁场方向的湍流动能和湍流黏度要低于垂直磁场方向;施加同轴磁场可以限制带电粒子的径向扩散,减少导电气体对圆筒壁面的传热量,从而降低壁面温度。     

钛合金轻质枪管热-结构耦合分析

为分析高温高压火药气体对钛合金枪管热性能的影响,以某型小口径钛合金轻质枪管为研究对象,建立基于ANSYS平台的枪管热-结构耦合分析模型。采用直接耦合方法,利用ANSYS参数化设计语言（APDL）编程计算枪管在高频动态热脉冲和动态压力循环作用下的温度场和瞬态应力响应,并对计算结果进行实验验证。研究结果表明：热脉冲和压力脉冲的耦合作用显著;钛合金的材料性能能满足枪管的设计要求。     

双基药燃烧产物热物性参数计算分析

为准确获得双基药燃烧混合气体生成物的热物性参数,求解火药燃烧产生的高温气体与身管内壁面的对流换热系数以及火炮发射过程中内壁面的温度,根据双基药组分,给出了火药燃烧化学反应方程式,计算得到燃烧生成物各组分的含量。基于已有的标准大气压下CO₂、CO、H₂O(g)、H₂和N₂的动力黏度、导热系数、比定压热容随温度的变化实测数据,采用最小二乘法拟合得到双基药燃烧混合气体生成物的热物性参数计算模型,并针对3种典型的双基药进行计算分析。结果表明：最小二乘法拟合得到的计算模型可以较好地应用于标准大气压下纯气体热物性参数的求解;气体的动力黏度、导热系数和比定压热容均随着温度的升高而增大;硝化棉含氮量越高,导热系数和比定压热容值越小,硝化棉含氮量对混合气体的动力黏度值影响较小,可忽略不计。     

环境氧含量和压力对铝镁贫氧推进剂燃烧性能的影响

为研究不同海拔处大气氧含量(氧体积分数)变化对铝镁贫氧推进剂燃烧特性的影响,采用激光辐射点火,使用高速摄影仪记录推进剂的点火与燃烧过程,并利用红外测温仪测量推进剂的表面温度及火焰温度,研究了环境氧含量与压力对推进剂的点火过程、火焰温度和燃速的影响。结果表明,环境气体氧含量高于推进剂热解产物中氧含量时,点火气相化学反应主要发生在推进剂热解产物与环境气体的扩散区,初现焰远离推进剂表面,但随着压力增加,扩散区与推进剂表面之间距离减小;火焰温度与环境氧含量和压力线性正相关;压力与环境氧含量增加时,铝镁贫氧推进剂燃速增加,压力和环境氧含量对铝镁贫氧推进剂燃速的影响符合B数理论,压力是影响推进剂燃速的主要因素,但随着压力增加,压力对燃速的影响相对减小,压力从0.1 MPa增加到1.5 MPa时,压力和环境氧含量的燃速敏感系数比从200下降到40。     

小口径步枪枪管在连续单发射击下热效应特性

为分析小口径步枪枪管在热载荷和周边零件作用下热效应对枪管性能的影响,开展枪管表面有无周边零件对枪管温度场和热变形场差异研究.基于初始条件和热边界条件,在有限元分析软件ANSYS中建立高温火药气体热作用下三维枪管及周边零件的热-结构耦合模型.将热电偶固定在枪管表面,并对枪管表面10个位置进行温度测量,实验结果与仿真结果基...     

某大口径火炮弹带热力耦合挤进动力学数值模拟研究

为研究弹带挤进过程机理以及弹丸在挤进过程的运动规律,对大口径火炮挤进过程进行了仿真分析。考虑了火药气体在带锥度药室及坡膛内的分布,得到挤进时期的内弹道学方程,将该方程的解作为力边界条件,同时引入考虑温度的摩擦力模型来模拟身管与弹带间的摩擦,采用显式方法建立大口径火炮弹带挤进过程热力耦合仿真模型;分别对经典内弹道挤进过程和绝热挤进进行计算,验证了耦合计算的必要性;同时考虑不同弹炮间隙、卡膛速度以及初始摆角对挤进过程的影响,得到挤进过程中挤进阻力、弹丸速度、火药气体压力、弹丸摆角的变化规律。计算结果表明,弹炮间隙对挤进阻力和挤进速度有着重要的影响,而弹丸卡膛前摆角对弹丸挤进过程中的摆角有着重要的影响。     

固体火箭发动机Ⅱ脉冲点火过程流固耦合分析

针对双脉冲固体火箭发动机点火过程,采用流固耦合方法研究了Ⅱ脉冲发动机点火时的流场和装药结构的力学响应,分析了点火燃气、装药及隔层之间的相互流固耦合作用。结果表明:Ⅱ脉冲发动机点火后,燃气使发动机内压强增大,隔层与药柱轴向通道形成先收敛后扩张的形状,对燃气流动和压强分布产生一定影响; Ⅱ脉冲药柱在0.36 ms被局部点燃,在0.93 ms时被全部点燃; Ⅱ脉冲药柱内表面变形先增大后减小,在中间位置和尾端位置呈现一定波动性; 在Ⅱ脉冲发动机增压阶段,隔层尾部受力继续增大直至破坏开裂。     

Thermo-Mechanical Analysis of Water-Cooled Gun Barrel During Burst Firing

The thermo-mechanical stress and deformation of water-cooled gun barrel during burst firing are studied by finite element analysis （FEA）. The problem is modeled in two steps： 1） A transient heat transfer analysis is first carried out in order to determine temperature evolution and to predict the residual temperatures during the burst firing event; 2） The thermo-mecha-nical stresses and deformation caused by both the residual temperature field and the gas pressure are then calculated. The results show that the residual temperature field tends to a steady state with the increasing of rounds. The residual temperature field has much effect on the gun barrel stress and deformation, especially on the assembly area between barrel and water jacket. The gage between the barrel and water jacket is the critical factor to the thermo- mechanical stress and deformation. The results of this analysis will be very useful to develop the new strength design theory of the liquid-cooled gun barrel.     

压力载荷与温度场作用下弹壳弹膛系统的动态响应

针对热对弹壳弹膛系统的影响,基于弹、塑性力学及接触理论和弹壳、弹膛系统受热的物理过程,建立了考虑由热载荷和压力载荷共同影响的某小口径枪械弹壳弹膛系统的数学和物理模型。采用非线性有限元法和热、结构耦合单元Plane13,在ANSYS软件环境下,通过加载火药燃体的温度历程,进行了数值分析,获得了弹壳、弹膛系统在瞬态热载荷和瞬态压力载荷同时作用下弹壳弹膛系统热应力特性,结果表明热对弹壳弹膛系统的影响不容忽视的。