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基于A(yíng)WE對星形截面身管的FEA強度分析

發(fā)布于:2024-02-29 18:36
FEA分析

      隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現代飛行器的飛行速度和作戰性能越來(lái)越優(yōu)越,這就對防空武器的機動(dòng)性、射頻和射速提出了更高的要求,因此對于火炮的身管強度和散熱性能的要求也就越來(lái)越嚴格。由火炮身管設計理論可知,在保證身管內徑要求的情況下,可以通過(guò)提高身管外徑或改進(jìn)身管結構來(lái)提高其散熱性能和強度。傳統身管是一個(gè)圓環(huán)形的截面,為了提高其強度及散熱性能,采用星形身管來(lái)滿(mǎn)足此要求。本文就以某現有高炮身管為例,采用ANSYSWorkbench軟件,對傳統和星形兩種身管進(jìn)行結構FEA強度分析。
      本次分析中主要考慮身管,因此省略其他相關(guān)結構。先對傳統身管進(jìn)行強度分析,然后改進(jìn)結構,對星形身管進(jìn)行強度分析。圖為傳統身管與星形截面身管對比圖。
      根據身管的實(shí)際模型和受力情況,對兩種身管的計算模型做如下假設和簡(jiǎn)化:
      (1)在彈丸發(fā)射過(guò)程中,身管受到很大的火藥燃氣沖擊力,彈丸本身質(zhì)量對其影響較小,故忽略彈丸質(zhì)量。
      (2)身管藥室部外被筒約束,火藥燃氣沖擊力對其影響大大減小,故施加約束為無(wú)摩擦的支撐約束,定義身管底端位移為。。
      (3)兩種身管均為三維軸對稱(chēng),同時(shí)受到軸對稱(chēng)膛壓的作用,因此將模型簡(jiǎn)化為二維軸對稱(chēng)模型。
      在傳統的身管分析中,人們往往將最大膛壓施加到身管內壁上,這樣不但不符合實(shí)際,而且造成了所分析的身管重量偏大。實(shí)際上,身管內壁所受的壓力是隨時(shí)間的變化而變化的。因此,對于本文中的兩種身管,進(jìn)行有限元分析時(shí)必須考慮到不同時(shí)刻身管內壁的受力各不相同。
      在火炮發(fā)射過(guò)程中,火炮藥室部自始至終都承受膛壓的作用,其壓力曲線(xiàn)為一個(gè)完整的內彈道p-t曲線(xiàn)。在火炮發(fā)射過(guò)程中,隨著(zhù)彈丸的向前運動(dòng),位于彈丸前部的區域由于沒(méi)有火藥氣體的作用,故沒(méi)有受到膛壓的作用,而彈丸后端的身管則受到了火炮膛壓的作用。由于不同時(shí)刻和不同位置身管受到的膛壓不同,本文將身管內壁分成20段。
      對模型施加載荷及約束,劃分網(wǎng)格后計算。
      對于傳統身管,其質(zhì)量為284.4kg。結果顯示身管的最大應力發(fā)生在t=3.11X10時(shí),大小為641.83Mpa;炮口處壓力為Wz=276.5MPa,發(fā)生在tlz=6.94X10時(shí)。傳統身管的分析結果見(jiàn)圖。
      該高炮身管材料為40Cr,其強度極限為980Mpa,因此該身管安全系數為n=980/641.83=1.53;炮口處安全系數為nz=980/276.5=3.54。由于火炮身管安全系數最低值的范圍是:藥室和彈丸導向部為1.2-1.3,炮口部為2.0-2.5?梢(jiàn)傳統身管超出其安全范圍。據此對星形身管進(jìn)行設計并校核其強度。
      計算結果顯示,星形身管的最大壓力發(fā)生均符合要求。其質(zhì)量為263.4kg,可見(jiàn)在保證身管強度的同時(shí),達到了減輕重量的目的。
      在充分考慮身管膛壁壓力的情況下,分別對傳統身管和星形身管進(jìn)行了有限元分析。在保證身管強度的情況下,改進(jìn)身管結構,達到火炮的戰地要求。同時(shí),為火炮身管及其他結構的計算提供了一種新的計算方法。


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