舰炮身管热响应与烧蚀磨损分析

发布时间：2020-07-29 21:07

【摘要】：身管的发热是影响身管力学性能和烧蚀磨损的重要因素。本文以某舰炮身管为研究对象，以经典内弹道学和工程传热学等理论为基础，结合烧蚀磨损计算模型和烧蚀内弹道模型，对发射过程中身管传热、应力状态和烧蚀磨损等问题进行分析，并在此基础上对不同射速条件下身管的温度场和烧蚀磨损情况进行仿真计算。主要研究内容如下： (1)以经典内弹道理论为基础，通过编程计算得到膛内气体温度、密度、压力和温度场分析所需的边界条件；建立身管传热计算模型，对身管沿径向和轴向温度分布进行了仿真分析；以PYTHON语言为基础，定制开发了身管传热分析系统，提高了身管传热计算的效率。 (2)采用直接耦合法对身管进行热—弹耦合分析，对非自紧身管的热应力和等效应力进行了仿真计算，用基于理想弹塑性材料的自紧残余应力计算方法，通过有限元软件对自紧过程进行了仿真分析，并在此基础上对自紧身管的热应力和等效应力进行了计算。 (3)建立身管熔化烧蚀模型和烧蚀磨损内弹道模型，在传热分析的基础上计算身管烧蚀磨损量及烧蚀磨损对火炮内弹道性能的影响。 (4)以传热和烧蚀磨损模型为基础，对不同射速条件下的身管发热和烧蚀磨损情况进行仿真，研究射速对身管发热和烧蚀磨损的影响特性。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TJ391
【图文】：

火药,燃气温度,历程,后效期

(a) 弹丸速度时间曲线 (b) 弹丸速度位移曲线(c) 火药燃气压力时间曲线 (d) 火药燃气压力位移曲线图 2.1 内弹道曲线根据火炮内弹道数据和火炮后效期相关方程，可计算出火药燃气后效期温度变使用 MATLAB 编写程序解得至后效期结束时的火药燃气温度历程曲线如图 2.2。

曲线,身管,气流温度,火药

中北大学硕士学位论文在整个膛内时期和后效期受到火药燃气的热作用，因此图 2.2 所示的火药燃气温度历程曲线只适用于药室部和坡膛部。随着弹丸运动，火药燃气向炮口方向流动，身管的其它部分在弹丸未经过时受空气作用。这里通过建立一个数据表达式 T (t , k )来模拟这一动态过程，k为弹丸在膛内的位移和内膛表面纵坐标的函数[26]1( , )0y lk l yy l (2.24)T (t , k )为火药燃气温度历程 ( )gT t 与k 的乘积，即t时刻时弹丸运动到距膛底l时，内膛表面上的火药燃气温度为：当 y l时为 ( )gT t ；当 y l时为大气温度。在编写内弹道程序时考虑上述的动态过程，可以得到身管不同截面处内壁气流温度，如图 2.3 所示。

曲线,对流换热系数,身管,火药

中北大学硕士学位论文( )QwdT T Fd (2.34)这样可得出对流换热系数的关系式，v r C w 或0 。对火炮而言，0 =0.21~0.42( KW m /( kg K))，本文取 0.3。根据马蒙托夫经验式及内弹道数据，就可以计算出火炮发射时膛内火药气体对身管内壁的对流换热系数。随着弹丸运动，火药燃气沿身管轴向不断向炮口处扩散，弹丸前部是空气，因此对坡膛部以后任意截面，弹丸未通过时，火药燃气密度为零，对流换热系数也为零。与火药燃气温度类似，这里也可以建立方程 h( t , k )模拟这一动态过程，编写 MATLAB 程序计算，如图 2.4 所示。

【参考文献】