身管内多物理场耦合分析

发布时间：2020-10-19 08:11

　　 机枪是现代陆军最重要的火力武器之一,具有威力大、射程远、重量轻、机动性好等特点,是打击一公里内火力点和轻型装甲目标最经济最有效的手段。射击时,机枪身管处在高温高压高速火药流体的冲击和弹丸的机械摩擦双重作用下,随着射击次数或射速的提高最终引起身管膛线磨损、弹丸初速度降低、射击精度下降,研究认为热冲击作用是引发这些故障的主要原因,故研究机枪身管在射击时瞬态温度场的变化规律和应力分布对身管的寿命预测、结构设计、材料选择具有重要的意义。本文研究了身管在射击时的传热过程以及火药流体在身管内的流动过程,建立了身管传热和火药流动的数值模型,采用借助Mp CCI多物理场耦合计算平台联合结构分析软件ABAQUS和流场分析软件Fluent的方法对机枪身管进行流-固-热多物理场耦合计算。ABAQUS采用耦合温度位移模型对身管的传热过程及热力耦合进行了模拟计算;FLUENT采用标准k-?湍流模型对身管内的火药流动过程进行了分析计算,通过Mp CCI交换结构场和流场在耦合区域的计算结果并以此互为对方的边界条件最终完成了身管的流-固-热耦合计算。针对身管内壁不同的铬涂层厚度建立了0.28mm、0.35mm、0.41mm三种几何模型,对其进行流-固-热多物理场耦合有限元仿真计算,分别得到了三种身管的瞬态温度场和应力场分布情况。对比分析计算结果得出以下结论:基于Mp CCI多物理场耦合接口,联合结构计算软件ABAQUS和流体计算软件Fluent对身管进行流-固-热耦合的分析方法是可行的;在相同的射击条件下,随着身管内壁铬涂层厚度的增加,身管的温度最大值依次上升而Mises应力最大值依次下降;在身管与涂层的结合部位产生了应力集中现象,随着身管内壁铬涂层厚度的增加集中应力的最大值依次减小。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TJ201
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究的背景和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国内外 12.7mm机枪的发展现状
        1.2.2 身管传热和热力学的研究现状
        1.2.3 身管的多场耦合研究现状
    1.3 本文的主要研究内容
第二章 多场耦合数值计算的理论基础
    2.1 计算结构力学理论
        2.1.1 弹塑性力学
        2.1.2 弹塑性结构力学的有限元法
    2.2 结构传热学
        2.2.1 传热的基本形式
        2.2.2 热传的控制微分方程
        2.2.3 瞬态传热的初始条件和边界条件
        2.2.4 瞬态传热的有限元方程
        2.2.5 热应力的有限元方程
    2.3 计算流体力学理论
        2.3.1 计算流体动力学的控制方程
        2.3.2 湍流模型
        2.3.3 控制方程的离散
        2.3.4 基于压力的求解方法
    2.4 多场耦合计算原理
    2.5 计算工具的简单介绍
第三章 基于网格的并行代码耦合技术
    3.1 耦合计算平台Mp CCI
    3.2 耦合计算的数据交换
        3.2.1 非匹配网格之间的数据传递
        3.2.2 预接触搜索
        3.2.3 映射插值算法
        3.2.4 孤立的节点与单元
    3.3 Mp CCI的耦合计算流程
第四章 身管的流固热多场耦合计算模型
    4.1 结构场的计算模型
        4.1.1 固体结构场几何模型的创建
        4.1.2 结构模型网格划分
        4.1.3 固体结构场参数设置
    4.2 流场的计算模型
        4.2.1 流场几何模型的创建
        4.2.2 流场模型网格划分
        4.2.3 流场计算参数设置
    4.3 流固热耦合计算
        4.3.1 MPCCI流固热耦合计算过程
        4.3.2 流固热耦合计算结果
结论
参考文献
致谢
附录A 攻读硕士期间所发表的学术论文目录

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本文编号：2846954