小口径火炮自紧身管应力状态分析

发布时间：2020-08-02 04:21

【摘要】：身管自紧技术是在身管内膛施加一定的压力使得身管内产生相应的残余应力,自紧残余应力可以改善身管在使用时的受力情况,延长其使用寿命。现有自紧身管研究大多针对大口径火炮且均将其简化为厚壁圆筒模型,忽略了身管内部膛线以及镀铬加工的因素,并且针对身管所受到的冲击载荷以及裂纹对自紧身管内部应力的影响同样没有考虑膛线及铬层。本文针对上述问题,以某小口径火炮身管为研究对象,对理论计算与有限元仿真进行对比,并对考虑膛线加工及镀铬的情况进行仿真研究。主要研究内容如下:(1)针对某种新炮钢材料,通过理论计算与数值模拟的方法对自紧身管所需要的自紧压力与残余应力进行计算与模拟,并对模型无关性进行验证,分析对比自紧过程中理论计算与数值模拟的不同及其原因;(2)对考虑膛线及镀层加工的身管进行自紧仿真,分析内膛加工对自紧残余应力的影响,此外对不同自紧加工次序进行仿真,研究不同自紧加工次序对身管残余应力的影响;(3)通过分析身管使用过程中的温度-膛内压力耦合的冲击载荷,对身管最大膛压面处进行冲击载荷数值模拟,分析身管在单发及连发时不同位置的应力状态及残余应力变化规律;(4)通过扩展有限元方法对自紧身管内钢铬交界面预制不同裂纹的情况进行仿真,分析裂纹的J积分变化规律以及自紧度对裂纹J积分的影响,并对裂纹对自紧残余应力的影响及裂纹扩展趋势进行分析。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TJ301
【图文】：

a）理想弹塑性炮钢本构关系 b）线性强化炮钢本构关系 c）指数强化炮钢本构关系图 2.1 炮钢本构关系理想弹塑性炮钢本构关系中，弹性阶段身管炮钢应力随着应变的增加而线性增加；塑性阶段随着应变的增加身管炮钢应力始终为屈服极限，炮钢本身没有塑性强化作用。当身管炮钢的强化作用不明显时，计算时可以使用理想弹塑性炮钢本构关系。线性强化炮钢本构关系中，弹性阶段身管炮钢应力应变关系与理想弹塑性炮钢本构关系相同；塑性阶段时，身管炮钢应力应变关系也呈线性分布，但其斜率要远小于弹性阶段，此现象称之为材料的线性强化。大多数身管炮钢符合线性强化本构关系，计算时可使用线性强化炮钢本构关系。指数强化炮钢本构关系中，在弹性阶段与塑性阶段身管炮钢应力应变关系均呈指数关系。指数强化炮钢本构关系适用于应变较大的炮钢。本文所研究的身管材料为某新型炮钢材料，其密度为 7833Kg/m3，参照 GB/T 228.12010 制定相应的测试标准，加工好试样后使用万能材料试验机进行单向拉伸试验，如图

参照 GB/T 228.12010 制定相应的测试标准，加工好试样后使用万能材料试验机进行单向拉伸试验，如图2.2 所示。图 2.2 材料拉伸试验由拉伸试验可以得到炮钢的试验数据如图 2.3。对曲线进行线性拟合，得到其在线性强化模型下的材料参数，其中弹性阶段屈服极限为 1248.89MPa，弹性模量为 206057.3

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.00200400600800000应变Equationy = a + b*xWeightNo WeightingResidual Sumof Squares755304.78828Pearson's r0.99853Adj. R-Square0.99707Value Standard ErrorC1Intercept -0.29298 0.98207C1Slope 206057.27608 287.41893Equationy = a + b*xWeightNo WeightingResidual Sumof Squares170419.55555Pearson's r0.95709Adj. R-Square0.91596Value Standard ErrorE1Intercept 1248.89032 1.07561E1Slope 2062.34135 106.1361图 2.3 材料拉伸试验及线性拟合曲线实际身管炮钢的相关特性，文中以理对身管自紧加、卸载过程进行理论计模型，可以采用极坐标方法来表述其相对应关系如图 2.4 所示。

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本文编号：2778154