镀层材料热及力学特性对枪管寿命的影响

发布时间：2021-04-08 20:41

　　为研究枪管镀层材料性能对枪管寿命的影响,综合运用身管镀层剪切失效理论和疲劳损伤累积理论,提出了基于镀层界面剪切疲劳损伤的枪管寿命预测模型.以某小口径步枪为研究对象,基于有限差分法,对内膛涂镀铬、钽和氮化硅三种不同材料的枪管在10连发射击过程中的温度场分布、镀层内应力分布以及枪管寿命进行了数值计算,研究了镀层材料的热及力学特性对枪管寿命的影响.研究结果表明,镀层的热扩散系数、影响因子η及断裂长厚比是影响枪管寿命的几个关键性能,其中断裂长厚比对界面切应力和枪管寿命的影响最大,拥有较大断裂长厚比的镀层可以在射击过程中显著降低界面切应力,进而提高枪管寿命. 

【文章来源】：北京理工大学学报. 2020,40(07)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

镀层失效剥落过程

图2为根据剪切失效理论绘制的开裂后的枪管镀层片段受力分析示意图. 图中,b为镀层片段宽度;L为镀层片段长度;h为镀层厚度;Sc为镀层内周向正应力;τ为镀层片段底部切应力. 由图2可见,该镀层片段左侧存在一条张开型裂纹,右侧存在一条闭合型裂纹. 射击时镀层片段右侧受热-压耦合下周向正应力作用,该热压耦合应力可表示为Sc=St+Sp,其中St为热作用引起的瞬态热应力,Sp为镀层受膛压作用产生的应力.为简化计算,假设Sc为沿着镀层厚度方向的均布载荷,则可以镀层半厚处的瞬态热应力和膛压作用应力代替镀层内的平均热应力和平均膛压作用应力. 瞬态热压应力St可表示为[4]

图3为第10发射击过程中不同镀层材料枪管的内壁温度变化情况及内壁温度达到峰值时各枪管的径向温度分布情况,可以看出单次射击过程中各枪管内壁温度的变化都呈脉冲变化趋势,但在脉冲峰值上存在差异. 镀铬、镀钽和氮化硅镀层枪管的内壁峰值温度分别达到了448.3,548.2和740.9 ℃,镀层热扩散系数越小,扯平枪管近壁层温差的能力越低,枪管内壁温度越高. 由图3(b)可见,镀层导热性能差异对枪管温度场分布的影响主要集中在距内壁非常近的薄层中,从仿真结果来看,此近壁层的厚度仅为0.2 mm左右. 在此近壁层中,各枪管的温度差异较大,但超过此区域,各枪管之间的温度基本趋于相同. 尽管相较于整个枪管壁,此近壁层的厚度微不足道,但近壁层热损伤是导致枪管寿终的主要因素,因此虽然镀层材料的导热性能差异对枪管温度场分布影响作用范围很小,但效果却不可忽视.3.3 对镀层内应力分布的影响

【参考文献】：
期刊论文
[1]复杂射击规范下枪管温度场数值分析与试验研究[J]. 冯国铜,周克栋,赫雷,张英琦,李峻松.  北京理工大学学报. 2017(10)
[2]典型使用条件对大口径机枪枪管寿命影响研究[J]. 齐玉辉,杨明华,单永海,徐诚.  兵工学报. 2016(11)
[3]基于铬层与基体结合部疲劳损伤的转管机枪身管寿命预测研究[J]. 徐宁,吴永海,王永娟,徐诚.  兵工学报. 2016(10)



本文编号：3126238