大张力缠绕复合材料身管的力学分析与结构优化

发布时间：2020-03-21 19:13

【摘要】：随着身管武器装置的迅猛发展,发射膛压、发射精度和发射安全性的指标也在不断提高,这一领域的研究进展受到了世界各国的广泛关注。身管结构作为身管类武器发射装置的核心部件,需要在外力作用下维持内部结构的稳定性,因此身管结构必须有良好的机械强度和刚度。同时还需要尽可能降低结构的重量以满足武器装置的轻量化。纤维缠绕复合材料具有比重轻、比刚度大、比强度高和可设计性强的独特优势,同时纤维缠绕中的大张力缠绕工艺可以在缠绕过程中提供身管结构所需要的压紧力,这些特点完美地契合了身管结构的使用要求。但大张力缠绕工艺复杂,力学分析方法与常规张力明显不同,因此研究大张力缠绕的工艺实现和身管结构中的大张力缠绕力学分析方法是十分重要的。本文首先从复合材料基本力学理论、纤维缠绕原理和有限元仿真基本方法入手,确定了大张力缠绕复合材料的力学分析思路,为复合材料结构的解析计算与有限元仿真提供理论依据。其次,从大张力缠绕工艺角度出发,对不同复合材料体系进行了比较,对最适用于身管大张力缠绕的复合材料体系测试了不同缠绕张力下的材料力学性能参数,为大张力缠绕力学分析中材料参数输入奠定了基础。再次,以大张力缠绕轴对称回转体结构为研究对象,通过解析计算的方法揭示了大张力缠绕结构内部应力分布的变化规律,并据此对身管缠绕的大张力缠绕张力制度进行了优化设计。使用有限元仿真的方法对相同模型进行了验证计算,仿真结果与解析结果相互吻合,验证了有限元仿真方法的可行性。随后,使用前文验证的有限元仿真方法,对一种简化身管模型的大张力缠绕结构进行力学分析,揭示了身管大张力缠绕过程中缠绕应力、芯模表面接触压力的分布规律,计算了身管内部压缩应变与缠绕厚度之间的关系,并预测了抵抗一定内腔斥力作用时身管结构所需要的大张力缠绕厚度。最后,对身管模型开展了大张力缠绕实验,测试了大张力缠绕过程中身管内部结构压缩应变与缠绕厚度之间的关系。对缠绕完成的身管模型开展斥力实验,测试了身管内部结构的压缩应变与身管内腔加载斥力大小之间的关系,将两者测试结果分别与有限元仿真结果对比,验证了大张力缠绕结构有限元仿真方法的正确性。
【图文】：

电磁轨道炮,样机,身管

图 1-1 美国通用原子能公司“闪电”电磁轨道炮样机[6]随着电磁轨道炮的问世，传统钢材料已经不能满足先进武器装备的材料性能需求[25-29]，而先进复合材料具有比强度高、比模量高、耐烧蚀、透波等一系列优点，能够整体提高身管结构的性能，从而适应未来战争对于武器装备的高科技要求。国外较早开展了用纤维增强复合材料代替传统钢材料来制造身管结构的研究，并进行了大量的试验探索，取得了许多重要的科研成果。美国先后研制出了多种口径的复合材料身管[8,30-34]，如美国弹道研究所将四层 13 mm 厚的玻璃纤维增强复合材料与十层铝箔材料相互交替排列制得 M68型105 mm 身管结构，因其结构重量大大减轻，性能稳定，已经投入部队装备使用。增强纤维材料的发展也进一步促进了复合材料在身管结构中的深入应用，随着更高强度、更高模量的碳纤维材料的出现，美国陆军材料与力学研究中心将碳纤维增强树脂基复合材料用于 75 mm 转膛炮的复合加长身管，由于碳纤维增强树脂基复合材料的比刚度是传统钢的 4 倍，比强度是传统钢的 5 倍，制得的身管达到了减重 37%的目标，同时由于复合材料的独特优势，使复合型身管的固

示意图,环向,示意图,芯模

图 2-1 环向缠绕示意图绕仅能在等截面的轴对称回转体上进行缠绕，缠绕过程~90°之间，，在缠绕过程中必须保持芯模和导丝头的平行。绕工艺参数之间的关系。图 2-2 环向缠绕参数关系α 是缠绕角，指纱片与芯模的中心轴线之间的夹角，b为
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TJ03

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