某榴弹发射器枪管瞬态热结构耦合分析

王 菲，廖振强，冯海星

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

某榴弹发射器枪管瞬态热结构耦合分析

王 菲，廖振强，冯海星

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

为了提高自动武器的使用性能，寻求降低膛壁温度的方法，简介了传热机理，并运用ANSYS软件建立了枪管二维轴对称有限元模型，确定枪管的边界条件，得到了单发时枪管的温度分布和连发时的温度及应力分布，并对枪管的温度场和应力进行了研究。然后对枪管在温度场、耦合场及膛压作用下的应力进行了比较。研究结果对枪管设计有一定的参考价值。

枪管；有限元；温度场；耦合场

枪管是枪械的基本构件。因为射击时枪管要承受火药燃气作用，所以枪管应有足够的强度、刚度、韧性和耐烧蚀能力。武器射击过程中的枪管发热会不同程度地影响武器作战效能的发挥。不同的传热条件使武器的弹道性能发生变化，当环境温度高时，初速、膛压要增大，反之亦然。身管发热后将发生不同程度的变形、弯曲和磨损，这些都会影响武器的精度[1]。为了提高武器的使用性能，就必须研究膛内传热机理，找出降低膛内温度的方法。

1 传热学基本理论

只要有温差存在，就会有热量自发地从高温区域传递到低温区域，其传热方式有3种：传导、对流和辐射[2]。

a.传导，或称导热。传导是指导热物体内部质点互相直接接触，或不同物体直接接触，因组成该物体的各物质的原子、分子和自由电子的额外运动而引起的能量交换。

身管内壁的热量传给身管的外壁属于热传导。

b.对流。对流换热是指一种依靠流体的运动把热量由高温区域传递到低温区域的传热方式。身管外壁与周围空气的换热属于这一类型。

对流换热分为自然对流换热及强制对流换热。火药气体与内壁面的换热主要属于后者。气体与身管壁的接触亦伴有热传导。

c.辐射。辐射换热是物质在高温状态下依靠电磁波发射能量的过程，同时伴有能量转换。

高温火药气体会对外热辐射，高温的身管壁也会对外热辐射，因此在研究武器的传热时需要考虑这一因素。

在实际的换热过程中，这3种换热方式不是孤立存在的，热量的传递过程很复杂，往往是复合换热。

2 枪管射击过程中的传热理论

弹丸发射时火药燃气的温度会使身管温度升高，会对管壁温度、枪管刚度及内膛强度产生严重影响。因此，在进行枪管强度设计之前应先了解管壁的温度情况[3]。

a.枪管温度近似计算公式。

枪管温度场的计算较复杂，常把管壁内的热传导问题简化为一维不稳定的导热问题。这样便得到枪管内壁一维径向传热控制微分方程，即目前常用的光滑圆管一维非定常公式。

(1)

式中：T为枪管内壁温度，K；t为时间，s；r为枪管内壁某点与枪管对称轴之间的距离，m；α为枪管内壁导热系数，m2/s。

b.单发射击时管壁的温度状况。

单发射击时，因枪管内壁从火药燃气中获取热量的时间极短，使枪管发热的能量有限。但由于获取热量的时间极短，枪管内壁获得的热量来不及向外传递，这可使内壁面金属层温度骤高。停止射击时内壁获取的热量一部分在膛内散失，一部分向外壁层传递并很快衰减。

c.连发射击时管壁的温度状况。

热作用和弹丸的挤压作用对枪管内表面的强度影响很大。若反复多次作用在枪管上将使枪管尺寸和几何形状发生变化，从而引起射击时弹丸初速和精度的下降。

连续射击时枪管壁温度场是由各发形成的温度场相加所得，即

(2)

式中：T0为管壁上某点的初温；Ti为射击一发时管壁温度的升高量；n为连续射击时的枪弹发数。

3 枪管的有限元分析

3.1枪管有限元模型的建立

假设枪管是长度为350mm，内径为40mm，外径为55mm的空心圆柱，可将枪管根据尺寸简化为二维轴对称模型来进行分析。

枪管的材料性能参数见表1。在ANSYS中划分网格后的有限元模型如图1所示。

3.2边界条件的确定

内边界条件：

表1 枪管的材料性能参数

图1 枪管的有限元模型

(3)

外边界条件：

(4)

式中：λ为枪管内壁材料的导热系数，W/(m·K)；r0，R分别为枪管的内、外半径，m；Tg，T0分别为内壁火药气体温度及外壁环境温度，K；h1，h2分别为膛内气体及周围环境与枪管内、外表面的传热系数，W/(m2·K)。

3.3计算结果分析

在枪管上沿轴向选取6个截面上的36个点进行分析讨论，截面上各点对应位置见表2。

表2 枪管沿轴向6个截面选取点的代号及含义

3.3.1瞬态温度场结果分析

将温度载荷施加到枪管模型上，分别进行单发射击和射频为0.15s/发的连发5发射击并计算。

a.单发射击结果分析。

计算得到单发射击时身管上6个内壁点的温度时间曲线，如图2所示。从身管底部到膛口，每个内壁点所经历火药燃气的温度和时间不同，所以内壁点温度峰值逐渐减小。从图2可以看出,点A1的温度值明显高于B1，C1，D1，E1，F1等内壁点的温度值，因此以A截面为例，来分析枪管径向截面温度随时间变化的规律。

同时，枪管外壁的温度随时间逐步升高，但从身管底部到枪口，外壁点温度的升高幅度逐步降低，如图3所示。

图4是由ANSYS计算得到的枪管A截面径向温度时间曲线。从图中可以看出，随着距枪管内壁距离的增加，各点温度变化逐渐趋于平缓。

b.连发射击结果分析。

图2 枪管内壁点的温度时间曲线

图3 枪管外壁点的温度时间曲线

图4 枪管A截面径向温度时间曲线

计算得到连发时枪管上6个内、外壁点的温度时间曲线，分别如图5和图6所示。身管内壁的温度随时间推移成脉冲式变化，随着击发数的增加，温度幅值变大，但增加幅度逐步降低。枪管外壁的温度随着时间逐步升高，但从身管底部到枪口，温度的升高幅度逐步变小。

从图7可以看出，同一位置点的温度及温度梯度随时间逐渐上升，枪管壁中的温度及温度梯度从内到外急剧衰减；越接近内壁的点，脉冲式上升现象越明显、脉冲幅值越大；越远离内壁的点，温度及温度梯度上升越平缓。

图5 枪管内壁点的温度时间曲线

图6 枪管外壁点的温度时间曲线

图7 连发时枪管A截面的温度时间曲线

3.3.2瞬态热应力及耦合场应力结果分析

计算得到连发时温度场作用下及耦合场作用下内壁点A1的应力时间曲线，分别如图8和图9所示。枪管内壁点的应力随时间推移成脉冲式变化，随着击发数的增加，最大应力幅值增加，但增加幅度逐步降低。

3.3.3膛压作用下应力结果分析

计算得到连发时仅在膛压作用下内壁点A1的应力时间曲线，如图10所示。枪管内壁点的应力随时间成脉冲式变化，随着击发数的增加，最大应力幅值基本保持不变。

图8 温度场作用下A1点的热应力时间曲线

图9 耦合场作用下A1点的应力时间曲线

连发射击过程中，枪管内壁点各工况下的最大应力值见表3。

表3 枪管内壁点各工况下的最大应力值

图10 膛压作用下A1点应力时间曲线

对比表3数据可得，在射击过程中，枪管在耦合场作用下产生的耦合应力与在温度场作用下产生的热应力值接近，而在温度场作用下的热应力要比在膛压作用下的应力大。

4 结束语

本文考察了枪管的瞬态温度场和应力场，并对枪管在温度场、耦合场及膛压作用下的应力进行了比较。结果表明，在发射过程中，距枪管内壁越近的地方升温越快，热作用影响越大。在连续射击时，热作用是枪管内壁应力的主要来源，也是枪管破损的主要原因。因此进行枪管设计时，在保证枪管结构性能不下降的前提下，应尽可能提高其散热性能。研究结果能为以后进一步研究枪管性能提供一定的指导。

[1] 陆家鹏.自动武器学(气体动力学分册)[M].北京：国防工业出版社,1988:147-149.

[2] 王普法,陈柏飞.武器传热学[M].北京：机械委兵工教材编审室，1987.

[3] 欧学炳,殷仁龙,王学顺.自动武器结构设计[M].北京:北京理工大学出版社,1995.

AnalysisonTransientThermoStructureCouplingofAutomaticGrenadeLauncherBarrel

WANG Fei, LIAO Zhenqiang, FENG Haixing

(Nanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210094, China)

In order to improve the performance of automatic weapons, and seek ways for reducing the bore surface temperature and understanding heat transfer theory, it builds the 2D axisymmetric finite element model of barrel with the ANSYS, determines the boundary conditions, obtains the barrel temperature distribution when single shot and the temperature and stress distributions during bursts. Based on the simulation it analyzes the barrel temperature field and stress, compares the stress of the barrel in bore pressure, temperature field and coupling field. The results show that considering the temperature field in barrel design is necessary, provide a theoretical basis for the design of automatic weapons.

Barrel; Finite Element; Temperature Field; Coupling Field

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.008

2014-05-14

王菲(1990—)，女，新疆克拉玛依人，南京理工大学硕士研究生，主要研究方向为特种机械结构设计与动力学仿真。

TJ29

A

2095-509X(2014)07-0035-04