火炮发射膛内高温对弹底引信的影响*

张晋华，闻　泉，王雨时，张志彪，籍海明（　南京理工大学机械学院，南京　0094；　江机民科实业有限公司，吉林吉林　30）

火炮发射膛内高温对弹底引信的影响*

张晋华1，闻泉1，王雨时1，张志彪1，籍海明2
（1南京理工大学机械学院，南京210094；2江机民科实业有限公司，吉林吉林132021）

针对炮弹弹底引信在膛内需承受高温火药燃气强瞬态热冲击的问题，将非稳态导热计算方法和有限元瞬态导热分析引入引信结构分析，得到了引信体底部沿轴向温度分布曲线。ANSYS仿真结果与理论计算结果相吻合。结果表明，正常发射时，在膛内发射药火焰作用下，弹底引信表面温度约为95～145℃，热扰动在引信体内部传播深度不足2 mm，发射药火焰对弹底引信强度的影响可以忽略不计。但考虑到火炮发射时可能会出现弹丸留膛的异常现象，在设计弹底引信时，当引信体材料为50钢或35CrMnSiA时，可忽略火炮发射膛内高温对弹底引信的影响；当引信体材料为铝合金2A12、7075、7A04或铜合金HPb59-1时，应适当加大引信体最薄部位厚度。

弹药工程；理论分析；设计原则；引信技术；仿真

0　引言

弹底引信与弹体一般采用螺纹连接。火炮发射时，膛内正在燃烧的药粒和燃气随弹丸一起向前运动，引信底部不仅要承受火药燃气压力作用，而且还要承受火药高温燃气强瞬态热冲击。发射时火药燃气温度约为1 800℃［1］。弹丸在膛内的停留时间约为10 ms［2］。高温条件下，金属材料的力学性能与常温状态下的力学性能相比有明显变化。因此，在分析弹底引信某些零部件性能尤其是对温度比较敏感的零部件强度和特性时，应考虑发射时发射药火焰温度的影响。

文献［3］指出，在瞬态热冲击下，随着热冲击温度的升高，超硬铝合金7A04的弹性模量和强度极限均呈下降趋势，当试件温度升为250℃时，材料的强度极限仅为常温时的55.4%。文献［4］指出，随着温度的升高，铅黄铜HPb59-1和合金结构钢35CrMnSiA的抗拉强度逐渐降低。文献［5］研究了末制导炮弹在膛内的安全停留时间，指出火炮射击状况与环境温度对末制导炮弹在膛内的安全停留时间都是至关重要的。文献［6］指出在设计弹底引信零部件时不仅要对零件进行结构强度设计，而且要考虑发射过程中膛内温度对底部零件结构强度的影响。目前未见国内外关于弹底引信在膛内导热特性分析的文献。文中主要运用非稳态导热计算方法计算弹丸发射时发射药火焰对弹底引信的热传导，并对其进行有限元瞬态导热分析，得到弹底引信底部零件膛内导热特性。

1　瞬态导热分析理论

1.1自由对流传热系数数学模型

发射旋转弹丸时，由于弹带的作用，所以不考虑膛内燃气相对于弹底引信表面的流速，这时的对流传热可视为自由对流传热。在计算自由对流传热时，其中的物性参数如λ、μ等的定性温度均可取燃气的滞止温度或燃烧温度［7］。

文献［7］给出自由对流传热系数计算公式：

式中：ΔT=T-T0；λ为燃气导热系数；j为飞行加速度；d为当量直径；T0为壁面温度；T为燃气燃烧温度；p为区域压强；u为燃气动力黏度；R为气体常数。

1.2瞬态导热数学模型

文中主要研究引信体底部轴向温度分布，因此可以把导热模型简化成传热学中厚度为2δ的金属平板［8］导热模型，金属平板初始温度为t0，在初始时刻突然将其置于温度为tf的流体中；固体与流体间的自由对流传热系数h、平板的导热系数λ及固体的其他物性参数均保持常数。

为使问题简化，提出以下几点假设：

1）引信体壁温是沿径向和轴向坐标的函数，但考虑到引信体轴向最小壁厚小于径向最小壁厚，理论推导时只考虑引信体底部温度沿轴向的一维分布；

2）暂不考虑火炮身管温度对引信体的影响；

3）相关材料热物性参数均为常量。导热微分方程式及定解条件为［8］：

引用过余温度θ（x，τ）=t（x，τ）-tf，则上述4式可化为：

采用分离变量法求得分析解为：

2　理论计算

2.1表面传热系数计算

假设火炮发射时，引信初始温度为20℃，膛内火药燃气温度为1 800℃［1］。文献［9］给出了空气在不同温度不同压强下的热物性参数，整理得空气在1 800℃、240 MPa状态下的热物性参数如表1所示。利用公式R=cp-cv［7］即可求出该状态下的气体常数R。

表1　干空气的热物性参数［9］

某105 mm口径火炮内弹道平均膛压p=241 MPa，弹丸平均加速度j=68 490 m/s2，将其代入式（1）即可求出弹丸发射时火药燃气与弹底引信间的表面传热系数h=7 062 W/（m2·K）。

2.2引信表面温度计算

弹丸发射时，膛内发射药高温火焰对弹底引信加热。运用非稳态导热公式（5）对弹底引信导热过程进行计算。估取发射药火焰温度为1 800℃［1］，暂不考虑强度问题，假设引信体轴向最薄厚度为10 mm，初始温度为20℃。引信体材料分别简化为2A12、7075、7A04、HPb59-1、50钢、35CrMnSiA，其热物理性能参数如表2所示。

某105 mm口径火炮弹丸在膛内停留时间约为12 ms，将表2中所列的各材料的热物理性能参数代入非稳态导热公式（10），所得常数如表3所示。

由表3可以看出，文中所选用的引信体材料均不满足条件Bi≤0.1或F0≥0.2，因此不能用集总参数法或按无穷级数第一项计算物体温度［8］。在利用式（10）计算引信体表面温度时，按无穷级数前15项之和计算及按无穷级数前20项之和计算相差均小于1%，因此文中按无穷级数前15项之和计算引信体表面温度，理论计算结果如表4所示。

表2　引信体材料热物理性能参数［4，10-11］

由表4可见，经过12 ms加热，铝合金及铜合金材料的引信体表面温度在 100℃左右，50钢和35CrMnSiA材料的引信体表面温度在95～145℃之间，6种材料的引信体表面温度均未达到其材料熔点。理论计算结果表明，膛内火药燃气不会对引信体表面形成烧蚀。

3　仿真验证

3.1瞬态热分析方法及应用

ANSYS的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，通过有限元法计算各节点的温度分布，并由此导出其它热物理参数。ANSYS热分析包括热传导、热对流和热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题［12］。

瞬态热分析用于计算某一系统随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷分析应力。运用ANSYS进行瞬态热分析的基本步骤大体分为建立零件模型、利用软件中的相应模块进行模型加载，最后对结果进行数据分析。

某105 mm口径火炮杀爆弹弹底引信，引信体设计按强度校核不会出现变形，但考虑到发射时引信会受到高温高压发射药火焰的影响，因此应分析引信体在膛内的导热特性。

图1为弹底引信引信体二维模型图。根据其结构的轴对称性，选取整体结构的1/4建立几何模型进行分析求解。

图1　弹底引信引信体结构

3.2ANSYS瞬态热分析

运用有限元软件ANSYS对火药气体的加热进行瞬态热分析，选用二维8节点PLANE77单元进行有限元分析。弹底引信结构仿真模型有限元模型见图2所示。分析时，温度计量单位为℃。假设发射药火焰温度为1 800℃，拟使用表2中的6种材料加工引信体，材料参数如表2所列。因篇幅所限，文中只列出7A04、HPb59-1、35CrMnSiA三种材料的仿真结果，仿真计算结果见图3～图8所示。

图2　仿真模型有限元模型

由仿真分析结果可知，当引信体在膛内受火药气体加热12 ms时，引信体轴向外表面的温度约为95～145℃，仿真结果与理论计算结果相吻合，引信体表面温度远未达到材料的熔点，并且热扰动在引信体内部的传播很浅，都不足2 mm，对引信体的强度几乎没有影响，而引信体内部的温度则维持在常温状态。

靶场射击回收试验未发现引信体有明显变形，也未发现表面有高温烧蚀等异常痕迹。

图3　7A04引信体沿轴向温度分布

图4　7A04引信体温度场

图5　HPb59-1引信体沿轴向温度分布

图6　HPb59-1引信体温度场

图7　35CrMnSiA引信体沿轴向温度分布

图8　35CrMnSiA引信体温度场

4　分析与讨论

为验证上述结果，在不考虑发射强度的情况下，将引信体底部厚度减薄。膛内火焰加热时间仍取为12 ms。表5为底部厚度不同时的引信体温度理论计算结果和仿真结果。

由表5可以看出：对于同一种材料的引信体，当引信体底部厚度减薄时，理论计算表面最高温度保持不变。因为仿真分析时传热载荷施加在引信体表面，所以在只改变引信体底部厚度的情况下，仿真分析得到的轴向最高温度没有变化。理论计算结果与仿真结果吻合。为保险起见，当弹底引信体采用2A12、7075、7A04、HPb59-1时，应适当加大引信体最薄厚度以保证发射强度。

表5　底部厚度不同时的引信体温度理论计算结果和仿真结果

5　在某弹底引信中的应用实例

将上述非稳态导热计算方法和有限元瞬态导热分析方法应用于某35 mm口径高炮榴弹弹底引信。该引信的引信体材料为铝合金7A04，底部最薄部位厚6.3 mm，弹丸初速1 175 m/s，膛内停留时间5.7 ms，平均膛压340 MPa。表6给出了35 mm口径高炮多用途弹正常发射时引信体的温度理论计算结果和仿真计算结果。

表6　35 mm口径高炮多用途弹正常发射时引信体的温度理论计算结果和仿真计算结果

由表6可看出，在膛内高温火药燃气作用下，弹底引信外表最高温度约为111℃，引信体内部温度依然维持在常温状态（仍为初置的20℃），膛内高温火药燃气对弹底引信体强度的影响可以忽略。靶场射击回收试验未发现引信体有明显变形，也未发现表面有高温烧蚀等异常痕迹。

6　结束语

文中采用ANSYS仿真分析了火炮发射膛内发射药燃烧对弹底引信的影响，得到膛内高温高压对弹底引信强度影响可忽略不计的结论。靶场回收试验结果、仿真所得规律与理论结果相同。文中算例所用的六种材料是制造引信体最常用的材料，在正常发射情况下，这六种材料的引信体在膛内高温高压作用下，弹底引信表面温度约为95～145℃，热扰动在引信体内部传播不足2 mm。考虑到火炮发射时可能会出现弹丸留膛现象，在设计弹底引信时，如果引信体材料为50钢和35CrMnSiA，则可忽略火炮发射膛内高温对弹底引信的影响；如果引信体材料为2A12、7075、7A04和HPb59-1，则应尽可能适当加大引信体最薄部位厚度。

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Effect of High-temperature Propellant Gas in Bore on Base Fuze of Projectile

ZHANG Jinhua1，WEN Quan1，WANG Yushi1，ZHANG Zhibiao1，JI Haiming2
（1School of Mechanical Engineering，NUST，Nanjing 210094，China；2Jiangji Minke Industry Co.Ltd，Jilin Jilin 132021，China）

In order to reduce strong transient thermal shock of high-temperature propellant gas in bore on the base fuze of projectile，unsteady heat conduction calculation method and finite element analysis of transient heat conduction were used，and the curve of the axial temperature distribution in the bottom fuze body was got.The results of simulation by ANSYS are consistent with the theoretical results. The results show that the temperature of base fuze is about 95 to 145℃ under normal firing.Thermal disturbance spreads in the fuze body less than 2 mm.The influence of propellant gas on the strength of base fuze can be ignored.Considering that projectile would be stranded in bore abnormally，when the fuze bodies were made by 50 steel or 35CrMnSiA steel，the influence of propellant gas on the strength of base fuze can be ignored，but when the fuze bodies were made by aluminium alloy such as 2A12，7075，7A04 or brass HPb59-1，the minimum thickness of fuze body should increase appropriately.

ammunition engineering；theoretical analysis；design principle；fuze technology；simulation

TJ430

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.020

2015-02-02

张晋华（1990-），男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向：精密机械设计与动力学分析。