隨著科學技術的發展,現代飛行器的飛行速度和作戰性能越來越優越,這就對防空武器的機動性、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,可以通過提高身管外徑或改進身管結構來提高其散熱性能和強度。傳統身管是一個圓環形的截面,為了提高其強度及散熱性能,采用星形身管來滿足此要求。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,因此省略其他相關結構。先對傳統身管進行強度分析,然后改進結構,對星形身管進行強度分析。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化:
(1)在彈丸發射過程中,身管受到很大的火藥燃氣沖擊力,彈丸本身質量對其影響較小,故忽略彈丸質量。
(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,同時受到軸對稱膛壓的作用,因此將模型簡化為二維軸對稱模型。
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,這樣不但不符合實際,而且造成了所分析的身管重量偏大。實際上,身管內壁所受的壓力是隨時間的變化而變化的。因此,對于本文中的兩種身管,進行有限元分析時必須考慮到不同時刻身管內壁的受力各不相同。
在火炮發射過程中,火炮藥室部自始至終都承受膛壓的作用,其壓力曲線為一個完整的內彈道p-t曲線。在火炮發射過程中,隨著彈丸的向前運動,位于彈丸前部的區域由于沒有火藥氣體的作用,故沒有受到膛壓的作用,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,劃分網格后計算。
對于傳統身管,其質量為284.4kg。結果顯示身管的最大應力發生在t=3.11X10時,大小為641.83Mpa;炮口處壓力為Wz=276.5MPa,發生在tlz=6.94X10時。傳統身管的分析結果見圖。
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?梢妭鹘y身管超出其安全范圍。據此對星形身管進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生均符合要求。其質量為263.4kg,可見在保證身管強度的同時,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行了有限元分析。在保證身管強度的情況下,改進身管結構,達到火炮的戰地要求。同時,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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