基于Abaqus的某型大口徑火炮身管溫度場分析

樊連慶，石 赟，陳洪超

(1.成都晉林工業(yè)制造有限責任公司， 成都 611930；2.駐成都地區(qū)第一軍事代表室， 成都 610110)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的強度與技術含量正不斷發(fā)展，提高火炮的威力、增加射擊精度和提高火炮的使用壽命已經(jīng)成為了當下大口徑身管武器裝備發(fā)展的必然趨勢。而身管作為身管武器的核心，主要功能是賦予彈丸一定初速的射向。伴隨大威力與高精度，射擊過程中身管膛內將產(chǎn)生更高的溫度和對身管內壁更嚴重的熱沖擊，使得金屬機械性能下降，影響身管的壽命[1]。因此，研究不同膛線類型的火炮對身管溫度場的影響是十分必要的。

對于火炮身管溫度場的研究，彭克俠等[2]建立了某火炮身管的有限元模型，基于非線性瞬態(tài)熱力學理論，得出不同射速和不同環(huán)境溫度下身管溫度場的分布規(guī)律；徐達等[3]建立了火炮身管的傳熱學模型,并采用有限差分方法對模型進行了求解，得出了30 mm小口徑鍍鉻身管單發(fā)及連發(fā)射擊條件下溫度場的分布及其變化規(guī)律；王偉等[4]應用APDL命令，完成不同口徑火炮身管溫度場的計算；莊健對某坦克火炮身管溫度應力場進行了數(shù)值模擬及疲勞壽命分析；劉軍等[5]利用Abaqus有限元計算軟件對在溫度場下，某型火炮身管的前四階固有頻率和振型進行了計算和分析,發(fā)現(xiàn)溫度場對炮管固有頻率有一定的影響。而膛線類型同樣影響火炮的彈道性能，王寶元等[6]比較了火炮身管等齊膛線、漸速膛線和混合膛線之間的響應差異；田桂軍[7]研究了不同內膛結構燒蝕磨損及其對內彈道性能影響。

本文以某大口徑火炮不同膛線類型的身管為研究對象，利用Abaqus軟件平臺，基于瞬態(tài)熱力學理論對身管內外壁的溫度變化過程進行了仿真，從而得出不同膛線類型的火炮射擊時身管溫度場的分布規(guī)律，為提高火炮射擊精度與身管壽命提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

本文以某大口徑火炮身管為研究對象，分別分析兩種不同類型膛線(混合膛線，等齊膛線)射擊時的溫度場。其中混合膛線起始端的纏度為等齊膛線膛口的2.5倍。仿真計算時為了方便對身管進行網(wǎng)格劃分，需要對身管結構進行簡化處理，同時將身管上的圓角、倒角和其他細微結構刪除。

由于大口徑火炮身管很長，因此為了方便計算及保證精算進度，有限元模型尺寸與身管大小比例為1∶1,身管的網(wǎng)格類型采用8節(jié)點六面體減縮積分單元C3D8R,網(wǎng)格大小控制在1 mm左右。建立了三維有限元模型如圖1所示。

圖1 某大口徑火炮身管最大膛壓截面有限元模型

2 身管材料基本設置

射擊時，身管內壁承受高溫高壓的火藥燃氣的沖刷作用，火藥燃氣溫度可達到2 000～2 500 ℃。而身管材料溫度的變化將直接影響彈性模量、泊松比、導熱系數(shù)、比熱及熱膨脹系數(shù)等熱力學性能參數(shù)的變化。根據(jù)文獻[8]與文獻[9]中可以分別得出身管的部分物理、力學和熱學特性隨溫度變化的規(guī)律如下方程組：

通過上述方程組，可以計算得出身管材料熱力學性能參數(shù)如表1所示[10]。

表1 身管材料性能參數(shù)

3 溫度場內邊界條件的確立

基本假設：

1) 身管初溫與相應的環(huán)境溫度一致；

2) 忽略彈丸對膛壁的摩擦及其熱效應；

3) 溫度場具有軸向對稱性；

4) 身管對環(huán)境的輻射放熱。

內彈道時期火藥燃氣溫度是時間或彈丸位置的函數(shù)，可在求解內彈道參數(shù)時，通過下面的公式算出：

Tg(t)=[1-(k-1)φqv2(t)/(2gfωψ)]T1

式中：v(t)為彈丸運動速度；k為絕熱指數(shù)；ω為裝藥量；f為火藥力；φ為虛擬系數(shù)；q為彈丸質量；ψ為火藥燃去部分百分比；T1為火藥爆溫。

在后效期結束時，火藥燃氣基本恢復到大氣溫度，因此，假設后效期火藥燃氣的平均溫度隨時間的變化規(guī)律為：

Tgh(t)=The(-A·tB)

式中,Th為后效期開始時火藥燃氣的平均溫度；

式中：Tk為內彈道結束時膛內火藥燃氣平均溫度；Tbw為火藥爆溫；Ta為后效期結束時刻膛內火藥氣體平均溫度；tndd為內彈道持續(xù)時間；thxq為后效期持續(xù)時間。根據(jù)該口徑火炮的內彈道方程[11]，求出內彈道參數(shù)，可以得出火藥燃氣溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 火藥燃氣溫度變化曲線

火藥燃氣的放熱系數(shù)

hg1=0.5r1cpρν

式中：cp為火藥燃氣的定壓比熱容，cp= 1.799 kJ/(kg·K)；ρ、ν為火藥燃氣的密度和速度；r1為無因次摩擦因數(shù)，r1=(A+4lgd)-2，d的單位為cm，A為經(jīng)驗常數(shù)，A=13.2。計算得出的放熱系數(shù)如圖3所示。

圖3 放熱系數(shù)變化曲線

4 溫度場分布的仿真與分析

本文利用非線性瞬態(tài)熱力學分別對大口徑火炮射擊時混合膛線身管和等齊膛線身管的溫度場進行了仿真分析。

4.1 全身管溫度場分析

根據(jù)上一節(jié)中的身管溫度場內邊界條件，可以計算得出火藥燃氣溫度和身管內壁對流放熱系數(shù)。仿真計算時，將其施加在管壁的邊界條件中。其具體設置為：火炮在常溫環(huán)境下(25 ℃)進行射擊，其身管材料的初始溫度也為常溫，研究身管溫度隨彈丸行程的變化過程時，采用分段施加內邊界條件的方法，即將身管分為若干小段，在每一段的內壁施加該段身管所對應的火藥燃氣及放熱系數(shù)隨時間的變化情況，即通過abaqus有限元分析軟件，在interaction模塊中，配合時間步添加。經(jīng)過仿真計算后可以得出射擊10發(fā)后兩種不同膛線身管內外壁溫度最大值的分布情況如圖4～圖5所示。

圖4 身管內壁沿軸向溫度最大值分布曲線

圖5 身管外壁沿軸向溫度最大值分布曲線

從其中可以看出，混合膛線身管的溫度峰值較等齊膛線身管溫度峰值低，那是因為混合膛線的膛線起始部位纏度要大于等齊膛線，彈帶擠進混合膛線過程中受到的擠進阻力小于擠進等齊膛線過程所受的阻力，使得混合膛線身管內彈道的啟動壓力小于等齊膛線身管內彈道的啟動壓力，因此混合膛線身管內彈道參數(shù)較小，產(chǎn)生的火藥燃氣溫度也較小；從溫度分布規(guī)律來看，最大膛壓點附近的峰值溫度偏高，而靠近身管口部的峰值溫度較低，最大膛壓處附近，吸收的熱量最多，溫度變化最劇烈，膛壓最高；身管外壁溫度變化幅度與內壁相比較平穩(wěn)，溫度隨身管軸向距離增加而緩慢上升，那是因為靠近越靠近身管尾端，管壁越厚，傳熱時間較長；而靠近膛口處的管壁較薄，傳熱時間較短。

4.2 身管不同位置截面溫度場分析

身管內彈道過程是一個動態(tài)過程，其實質是彈丸在膛內運動的一個漸進過程。由于彈丸的運動，因此沿軸線方向身管不同位置受火藥燃氣作用時間也不一樣，即隨著彈丸向膛口運動，越靠近膛線起始位置，受到火藥燃氣的作用也越長，使得不同位置身管截面的溫度變化也不同。為了分析計算該大口徑火炮身管溫度場，分別取身管內膛膛線起始位置、膛壓最高處以及膛口處3個位置截面(如表2所示)進行分析，得出射擊10發(fā)炮彈后身管溫升變化情況，如圖6～圖8所示。

表2 身管3個不同截面位置

圖6 不同膛線身管膛線起始位置處身管內壁溫度變化曲線

圖7 不同膛線身管最大膛壓處身管內壁溫度變化曲線

圖8 不同膛線身管膛口處身管內壁溫度變化曲線

由其中可以看出，膛線起始位置與膛壓最高處的身管內壁溫度較膛口處更高，是因為火藥燃氣作用在膛線起始位置與膛壓最高處的時間更長；而膛口處身管內壁溫度變化較膛線起始位置與膛壓最高處更加劇烈，是因為膛口處火藥燃氣流速更快，且該處管壁較薄，同時與空氣接觸面積較大，使得溫度下降更加明顯。

圖9為不同膛線身管膛線起始位置處截面溫度云圖(溫度標尺單位為K)。

圖9 不同膛線身管膛線起始位置處截面溫度云圖

4.3 仿真結果驗證

為了驗證仿真結果的可信性，將仿真計算值與實測溫度進行對比分析。而由于身管內膛的工作環(huán)境惡劣，到目前為止，還難以用一般的溫度傳感器測出連續(xù)射擊時的內膛表面溫度值。即使是為了測試身管膛面溫度而研制的表面熱電偶，其測試結果也會有較大誤差，不能滿足使用要求[12-13]。因此，實驗主要通過測試身管外壁的溫度變化情況，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可對仿真后的溫度值進行分析判斷。

試驗方案如下：分別用兩種不同類型膛線的身管射擊，試驗時應保證其他射擊條件相同，分別射彈10發(fā)，用溫度傳感器測量火炮身管外壁的溫度變化，并與仿真結果對比。

仿真結果與實測值的變化如圖10～圖12所示。

圖10 膛線起始位置處身管外壁溫度變化曲線

圖11 最大膛壓處身管外壁溫度變化曲線

圖12 膛口處身管外壁溫度變化曲線

由上圖可以看出，由于受到其他方面因素的影響，仿真值與實測值之間存在一定的誤差；但溫度變化趨勢基本一致，且最大誤差小于5%，因此仿真結果可信。

5 結論

1) 膛線的結構對射擊時的身管溫度有一定的影響，因為膛線的結構影響火炮的內彈道性能而使得內彈道參數(shù)發(fā)生改變，進而影響火藥燃氣溫度及放熱系數(shù)等熱學參數(shù)。

2) 從身管不同位置的溫度分布規(guī)律情況來看，越靠近身管膛線起始端，產(chǎn)生的溫度越高，溫差變化較平緩；越靠近膛口位置，溫度越低，溫差變化較劇烈。

3) 某大口徑火炮身管膛線的結構及膛線起始端射擊時的溫度場變化較大，可為該型火炮身管的設計及進行身管壽命預測提供理論參考，同時為大口徑火炮合理射擊提供理論依據(jù)。