簡化槍管模型對槍管外壁溫度場影響仿真分析

中圖分類號：TJ203 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2025.04.023

引用格式：，，，等.簡化槍管模型對槍管外壁溫度場影響仿真分析[J].指揮控制與仿真，2025，47（4）：156-160.ZHANGCENGTH，HUHB，etalSimulatioanalsisofteifuenceoftesimplifiedarelodelonetemperatueeldftheouterwallofbarrel[J].Command Controlamp;Simulation，2025，47（4）：156-160.

Simulation analysis of the influence of the simplified barrel model on the temperature field of the outer wall of barrel

ZHANG Chao，PENG Tianhui，HU Haibin，HAN Peng（Unit63850ofPLA，Baicheng，China）

Abstract：Inorder toanalyzetheinfluenceofthesimplifiedbarelmodelonthetemperaturefieldsimulationvalueof the outerwallofbarel，Inthispaper，thebarreltemperaturefeldofthebarrelduring6successionfiringroundsand3-miute aircolingissimulatedbyusingeoversimplifiedbarrelmodel，theslghtlysimplifedbarelmodel，thebarelmodelofincreasingthefrontwallthicknessandtebarelmodelofreducing thefrontwallthickness.Theresultsshowthattheaxialvariationofthetemperaturechangeruleoftheouterwallofthebarrelobtainedbysimulationwithoversimplifiedbarelmodelis inconsistent withthemeasuredresults，buttheaxial variationofthetemperaturechangeruleoftheouterwallofthebarrel obtainedbysimulationwithslightlysimplifiedbarelmodelaccordwiththemeasuredresults，oneofthereasonsforthehig estemperatureoftheouterwallofthebarelisonthefrontofbarrelattheendoffringisthatthefrontsectionofthebarrel isthin and the back section is thick.

Keywords：barrel model；temperature field of barrel；outer wall of the barrel；simulatior

熱對身管性能起主導和控制作用，決定著身管的壽命[1]，因此計算槍管溫度場對預測槍管壽命具有重要意義。2016年，馮國銅等建立了身管一維瞬態傳熱的數學模型，求解了某 12.7mm 機槍連續射擊120發彈過程中槍管的溫度場分布，并與測量的身管外壁溫度進行了對比[2]；2018年，顧祖成等建立了一套槍管系統傳熱三維仿真模型，以某典型小口徑自動步槍為研究對象，計算了帶有Cr鍍層的某小口徑自動步槍槍管系統在連續熱沖擊下的瞬態溫度，分析了其溫度場分布規律[3]；2020年，徐寧等針對持續射擊狀態自動步槍槍管瞬態溫度和變形預測問題，建立槍管的熱彈耦合軸對稱有限元計算模型，計算獲得了連續射擊150發過程中槍管溫度和變形情況，分析了槍管壁厚和射擊頻率對槍管瞬態溫度和變形的影響情況[4]；同年，顧祖成等為分析小口徑步槍槍管在熱載荷和周邊零件作用下熱效應對槍管性能的影響，開展槍管表面有無周邊零件對槍管溫度場和熱變形場差異影響研究[5]

槍管外壁溫度場仿真值與實測值是否一致一直是判斷槍管溫度場仿真是否準確的重要依據，然而，在槍管溫度場的仿真過程中，人們一般會對槍管模型進行簡化以便于建模和劃分網格，這種對槍管模型的簡化是否會對槍管外壁溫度場仿真值造成較大影響有待分析和驗證。通過對該問題的分析和驗證，能夠為仿真者選擇合適的槍管模型進行槍管溫度場仿真提供參考，避免因對槍管模型的過度簡化造成槍管外壁溫度仿真值與實測值不符。

此外，實踐中發現，機槍連續射擊結束時槍管外表面最高溫度出現在槍管前段，而從槍管中后段被火藥氣燒蝕時間最長、平均膛壓最高等情況看，機槍連續射擊結束時槍管外表面最高溫度理應出現在槍管中后段。分析該現象背后的機理能夠使得科研人員對槍管傳熱過程產生更深的認識。

1研究假設與傳熱過程分析

1. 1 研究假設

每發彈的射擊過程可分為4個時期： ① 定容時期：發射藥被點燃至彈頭啟動； ② 變容時期：彈頭啟動至出膛口； ③ 后效期：彈頭出膛口至膛內氣體壓力接近大氣壓力； ④ 射擊間隔：后效期結束至下一發子彈發射藥被點燃。

為便于仿真，突出主要因素，忽略次要因素，仿真過程基于如下假設： ① 在定容時期，由于定容燃燒時間很短且膛內空氣流速很低，忽略彈頭、彈殼口、槍管內壁與膛內空氣的自然對流換熱以及彈頭與火藥燃氣、彈殼之間的傳熱； ② 在變容時期，忽略彈頭與槍管內壁之間的摩擦生熱，忽略彈前空氣與彈頭、槍管內壁的強制對流換熱； ③ 在射擊間隔，忽略彈膛內壁與膛內空氣的自然對流換熱； ④ 在整個分析過程中，忽略各部件及空氣之間的輻射換熱； ⑤ 忽略部件之間的接觸熱阻； ⑥ 忽略膛線對傳熱過程的影響； ⑦ 假設鍍鉻層材料與槍管材料相同； ⑧ 假設后效期結束時開始抽殼； ⑨ 假設射擊過程中彈殼與槍管的熱交換量很小，忽略射擊過程中彈殼與槍管的熱交換。

使用不同槍管模型進行仿真時均使用以上假設。根據第 ①、②、④ 條假設，在仿真過程中可不必建立彈頭和膛內空氣模型；根據第 ⑧ ⑨ 條假設，在仿真過程中可不必建立彈殼模型。

1.2 傳熱過程分析

基于上述假設，在定容時期，傳熱過程為槍管外壁與空氣的自然對流換熱；在變容時期和后效期，傳熱過程為膛內火藥氣體和不與彈殼接觸的槍管內壁之間的強制對流換熱、槍管外壁與空氣的自然對流換熱；在射擊間隔和空冷過程，傳熱過程為槍管外壁與空氣的自然對流換熱。

2仿真方案設計

為驗證槍管模型的簡化是否會對槍管外壁溫度場仿真值造成較大影響和分析機槍連續射擊結束時槍管外表面最高溫度出現在槍管前段的原因，筆者分別使用過度簡化槍管模型、輕度簡化槍管模型、增加前段壁厚槍管模型、減少前段壁厚槍管模型進行機槍連發射擊60發空冷 3min 過程槍管溫度場仿真，并對仿真結果與實測槍管溫度場變化規律進行對比分析。

2.1槍管模型的建立

簡稱一段式槍管模型），其二維軸對稱模型如圖1（a）所示。采用該模型的理由是：使用這種槍管模型進行槍管溫度場仿真能夠提高槍管建模和劃分網格的效率，同時由于槍管壁厚沿槍管軸向的變化較小且在槍管上的零部件較小或較少，仿真者很容易忽略槍管壁厚沿槍管軸向的變化和槍管上的零部件對槍管溫度場的影響。

輕度簡化的槍管模型將槍管外壁簡化為彈膛處凸臺基礎壁厚、槍管中間壁厚發生間斷變化的兩點壁厚和槍口壁厚與實際值一致的三段線段（以下簡稱三段式槍管模型），其二維軸對稱模型如圖1（b）所示。采用該模型的理由是：使用這種槍管模型進行槍管溫度場仿真能夠考慮槍管壁厚沿槍管軸向的變化，其更加接近實際槍管形狀和尺寸，同時，又不會使得槍管建模和網格劃分過度煩瑣。

過度簡化槍管模型將槍管外壁簡化為彈膛處凸臺基礎壁厚和槍口壁厚與實際值一致的一段線段（以下

增加前段壁厚槍管模型和減少前段壁厚槍管模型分別在輕度簡化槍管模型的基礎上將槍管前段壁厚增加和減少了 1mm ，其二維軸對稱模型分別如圖1（c）、1（d）所示。采用這兩種模型進行槍管溫度場仿真的目的是分析機槍射擊結束時槍管外表面最高溫度出現在槍管前段的原因，詳見下文仿真結果分析。

2.2 具體仿真流程

仿真流程為： ① 建立槍管二維軸對稱幾何模型；② 定義槍管單元類型及材料屬性； ③ 對槍管二維軸對稱幾何模型劃分網格； ④ 設置射擊過程相關參數，導人通過Matlab計算出的火藥氣體溫度表格、對流換熱系數表格； ⑤60 發連射過程中槍管溫度場仿真； ⑥ 空冷3min過程中槍管溫度場仿真。

2.3 載荷施加情況

每發彈的射擊過程為一個內彈道循環，每個內彈道循環分為4個載荷步： ① 定容時期：刪除所有節點載荷和面載荷； ② 變容時期：刪除所有節點載荷和面載荷，對不與外壁接觸的槍管內壁施加與膛內火藥氣體之間的變容時期強制對流換熱載荷； ③ 后效期（假設后效期結束時抽殼）：刪除所有節點載荷和面載荷，對不與外壁接觸的槍管內壁施加與膛內火藥氣體之間的后效期強制對流換熱載荷； ④ 射擊間隔：刪除所有節點載荷和面載荷?？绽溥^程：刪除所有節點載荷和面載荷。在每個載荷步中均對槍管外壁施加與空氣之間的自然對流換熱載荷。

3 數學模型

由于仿真過程所使用的數學模型在大量的文獻中均有提及，故下面僅作簡要介紹。

3.1膛內氣流參數和對流換熱系數計算

定容和變容時期膛內氣流平均參數根據經典內彈道理論求得[6。后效期膛內氣流平均參數根據自動武器氣體動力學相關理論進行計算[7]

變容時期和后效期火藥氣體與槍管內壁的強制對流換熱系數根據管槽內湍流強制對流傳熱關聯式進行計算[8-9]。槍管外壁與空氣的自然對流換熱系數根據大空間內水平圓桿與理想氣體之間的層流自然對流換熱實驗關聯式進行計算[10-12]

3.2槍管傳熱方程和邊界條件

3.2.1槍管熱傳導方程

槍管熱傳導方程為[9]

式中 Δ，ρΔ 為槍管密度，單位為 kg/m³ c 為槍管比熱容，單位為 J/（kg?K）;T，t，r，y 分別為槍管溫度、時間、槍管徑向距離、槍管軸向距離，單位為 K，s，m，m;λ 為槍管熱導率，單位為 W/（?_m?K） 。

3.2.2 邊界條件

在火藥氣體或空氣與槍管壁面的交界面上[9]，有

式中，上標 w 代表槍管壁面處固體，上標 f 代表與槍管壁面處固體相鄰的火藥氣體或空氣， h 為強制對流換熱系數或自然對流換熱系數。

4仿真結果分析

按照上述仿真方案，基于ANSYSAPDL軟件，使用4種槍管模型進行槍管溫度場仿真，仿真得出的機槍連發射擊30發、60發結束時以及連發射擊60發結束后3S ?3min 時槍管外壁溫度沿槍管軸向的變化曲線如圖2所示，仿真得出的機槍連發射擊60發結束后槍管溫度場云圖如圖3所示。

某型機槍射擊60發結束后，對槍管外壁最高溫度進行測量發現槍管外壁最高溫度發生在槍管前段，而根據圖2（b）可以看出，使用一段式槍管模型仿真得出的槍管外壁溫度（以下簡稱一段式溫度）結果顯示，槍管外壁最高溫度出現在槍管中間段；使用較為接近實際槍管模型的三段式槍管模型仿真得出的槍管外壁溫度（以下簡稱三段式溫度）結果顯示，槍管外壁最高溫

度出現在槍管前段，符合實際規律，因此，產生槍管外壁溫度軸向變化規律與實測結果不一致的原因是在仿真過程中使用了過度簡化的一段式槍管模型。

為分析機槍射擊結束時槍管外表面最高溫度出現在前段的原因，將機槍射擊結束后的三段式溫度與使用增加前段壁厚槍管模型仿真得出的槍管外壁溫度和使用減少前段壁厚槍管模型仿真得出的槍管外壁溫度（以下簡稱為減少前段壁厚溫度）進行對比，可以看出，只需將槍管前段壁厚增加或減少 1mm ，就會使射擊60發結束時的槍管前段外壁溫度產生明顯的降低或升高，說明槍管壁前段薄、后段厚是導致機槍射擊結束時槍管外壁最高溫度出現在槍管前段的原因之一，槍管壁厚沿軸向的細微變化對槍管外壁溫度軸向分布規律影響較大，因此，為提高槍管溫度場的計算精度，應盡可能使用較為精確的槍管模型。

從圖2（c）以及不同時刻的一段式溫度可以看出，槍管外壁最高溫度位置處于槍管前段的現象從射擊結束開始至少可以維持 3s 。從圖2（d）以及不同時刻的減少前段壁厚溫度可以看出，如果降低槍管前段壁厚，則槍管外壁最高溫度位置處于槍管前段的現象從射擊結束開始可以維持 3min 。

從圖2（a）可以看出，即使采用一段式槍管模型，在機槍射擊30發結束時，槍管外壁最高溫度仍發生在槍管前段。假設槍管沿軸向壁厚相等，則由于槍械射擊時槍管中后段內壁火藥氣體作用的時間長、火藥氣體溫度和強制對流換熱系數高，槍管中后段獲得的熱量也更多，槍管外壁最高溫度理應出現在槍管中后段。而當槍管壁厚的前薄后厚較為明顯時，使槍管前段達到與中后段同等溫度所需要的熱量也較少，導致槍管前段外壁溫度高于中后段外壁溫度。

5 結束語

本文通過對比使用過度簡化槍管模型、輕度簡化槍管模型、增加前段壁厚槍管模型、減少前段壁厚槍管模型連發射擊60發空冷 3min 過程槍管溫度場仿真結果，得出以下結論：

（1）使用過度簡化槍管模型仿真得出的槍管外壁溫度軸向變化規律與實測結果不一致，而使用輕度簡化槍管模型仿真得出的槍管外壁溫度軸向變化規律與實測結果一致;

（2）槍管壁前段薄、后段厚是導致機槍射擊結束時槍管外壁最高溫度出現在槍管前段的原因之一，槍管壁厚沿軸向的細微變化對槍管外壁溫度軸向分布規律影響較大，為提高槍管溫度場的計算精度，應盡可能使用較為精確的槍管模型。

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（責任編輯：許韋韋）