MATLAB瞬态脉冲式高温冲击对管壁温度分部的影响
毕业论文关键词：速射武器；高温脉冲；温度分布；数值模拟.
Title The influence of high temperature impulse on the temperature distribution of the tube wall
Abstract This article summarizes the research status of the radial heat transfer in one-dimensional artillery. According to fire tube body in the propellant gas temperature field transient high temperature impact characteristics, tube temperature curve of gunpowder gas is figured out. Meanwhile the axisymmetric one-dimensional transient heat transfer finite element differential equations are deduced, and a matlab program was written to calculate, thus to firing temperature transient pulse on the tube wall temperature distribution. The model used is the classical interior ballistic model proposed by the former. The change of temperature distribution field in different heat conduction tubes is compared, and the heat transfer model is established by using a cylindrical axisymmetric model. At last, the methods of cooling of gun barrel are presented. Keywords: rapid fire weapons high temperature pulse temperature distribution numerical simulation
目 次
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3 本文工作 5
2 物理模型 6
2.1 基本假设6
2.2 传热模型6
2.3 边界条件及差分格式7
3 计算结果12
3.1 计算使用参数 12
3.2 单发射击计算结果 12
3.3 连续射击计算结果 18
4 参数变化后的计算结果 20
4.1 膛壁导温系数变化后的结果 20
4.2 发射频率提高后的计算结果21
4.3 管内换热系数变化后的结果 21
结论 24
致谢 26
参考文献27
1 引言 1.1 研究背景 在如今战场上，我们需要威力更大、发射频率更高的火炮和枪支，这样便带来问题，身管受到更大的热冲击与更强的机械冲击，从而极大影响了火炮武器的威力和效率，乃至炮管的使用寿命也受到影响。在火炮发射过程中，管内发生剧烈变化的过程中，气体温度以及膛内压力，气体流速在瞬间变化。射击开始之后，弹药释放的高温高速气体推动子弹丸高速运动。高温气体与管壁不断摩擦，即将大量的热传导给武器身管，身管内表面的温度升高，在火炮连续发射过程中，复杂的物化变化过程破坏身管壁内的热平衡状态。火炮膛壁不断受到瞬时的高温冲击，一般有2400℃～3300℃的高温气体的强力的高速高温热脉冲，并且，这样的高温脉冲在大多数情况之下沿炮管长度分布不成线性。在武器多发不间断发射过程中，武器炮管一直受到发射药燃烧之后的周期性的相对较高温度的热脉冲，这样就将直接导致内壁的蚀烧。相关文献中对武器炮管蚀烧跟磨损的机理的实验结果显示，高温冲击等一系列热力学影响是破坏炮管内壁的许多原因中的重要一个因素，大大降低身管武器性能。此外，现代战场上对武器射频的要求越来越高，武器射频较高时，炮管内壁的表面温度持续升高，热量持续累积，每发射击完毕后，新的弹药推送进入炮管，武器炮管内壁表面跟发射弹药接触，此时的管壁温度比较高，可能已经达到甚至于大于装填入管的炮弹的着火点，从而严重影响了武器的安全性。 可能引起弹药自燃，在膛内爆炸，在战场上装药完毕后，士兵一般会瞄准，就在待发的间隔时间里，高温的管壁放热，导致弹药升温，很快就会升至其燃点。一般情况下，高温的内壁导致弹药或其引信灼烧，很可能造成后果严重的发射或爆炸，这是使用者不能控的。膛炸现象发生在身管内壁温度比较高，而发射没有停止的情况下。火炮发射速度受到极大制约。高温内壁导致炮管不能满足设计要求，乃至不能正常工作，引起装填弹药等问题，速射武器的安全使用受到较大威胁。 身管发热的不利影响如下： (1)发射药自燃及膛炸。装炮弹进入炮膛后．在进行瞄准并等待发射的一段时间里．发射药吸收着高温管壁放出的热量，会很快达到发射药(或可燃药筒)的自燃点。通常，，由于灼热的火炮药室(或轻武器身管)引发了引信、发射药(或是炸药装药)，可能造成偶然的或自发的发射或爆炸。膛温过高仍继续发射．可能发生膛炸现象。 (2)发射速度受到限制。灼热炮身引起身管材料性能下降和装药等问题，严重影响火炮的安全使用。为确保安全，在进行一定数量炮弹的连续发射时．要求发射速度不得超过规定的极限发射速度。 (3)身管材料的机械性能下降。炮钢材料的温度变化实验表明，炮钢的强度是随温度上升而下降。在一些射击实验中，曾出现身管的胀膛现象．胀膛位置多在温升最高部位。这说明炮管胀膛度往往与其材料受高温后机械性麓下降有关。 (4)身管的热应力。火炮射击时火药燃烧生成的热量中，相当大的部分是被身管吸收。该热量是逐步输人膛壁的，身管壁存在着较大的温度梯度，从而产生了热应力。俄罗斯学者的研究表明．该热应力会相当大。热冲击在发射过程中会导致动态压应力．发射后内膛冷却过程中则产生动态拉应力，这种应力循环是造成身管产生裂纹的直接诱因。 因此，进行瞬态脉冲式高温冲击对管壁温度分布的影响有助于我们研究如何增加威力和提高射速，提高火炮身管的寿命。 为了保证武器安全，准备许多炮弹的不间断射击时，必须满足某些特定的要求，比如不可以大于其最大的发射速度等。灼热还导致武器的机械性能变弱，前人做过的炮管武器研究中，有过武器的胀膛，其位置大多出现在温度梯度最高的地方。表明了身管出现该现象的原因，大多与炮管受脉冲后性能减弱的情况有关。有相关研究指出，火炮强度与温度呈反相关关系。 身管武器在后效期之后，产生的热量中有大量热传给了武器的内壁。其热量渐渐地传入壁内，身管内壁产生温度梯度，其梯度值一般由脉冲大小决定，较大的梯度值会产生热应力。相关的实验结果显示，此时的热应力的值比较高。在射击时，高温脉冲导致动态压应力，射击完毕后，管内变冷时则产生了动态拉应力，这样的变化容易引起管壁产生裂缝。 因此，进行瞬态脉冲式高温冲击对管壁温度分布的影响有助于我们研究如何增加威力和提高射速，提高火炮身管的寿命。 1.2 国内外研究现状 周彦煌、王升晨在《实用两相流内弹道学》1990版中，完整地建立起两相流内弹道模型，相对完善并与后人研究的结果比较吻合。在此基础上，利用炮管传热的经典模型，得出了炮管温度分布的情况，最后通过实际的实验室研究验证理论分析结果，结果显示理论结果与实际结果吻合。在其基础上，朱文芳等人在“某火炮多发连续射击身管传热计算分析”一文中同样采用上述的经典内弹道模型，该模型很好的模拟实际炮管击发过程，传热模型则采用了一文圆管热传导模型， 其研究结果为炮弹击发时的武器管壁的温度分布，很好的将整个过程中的热力学特点展现了。研究了单发射击时武器的特性以及热力学过程，得到武器温度场的分布，以此为前提，进行了多发射击时的仿真，结果显示的是连发时武器壁温分布特点，以及各种细节，均可由图表了解整个过程。对于后人研究武器发射时的瞬态导热的热力学过程，以及炮管设计，装药设计有较好的帮助。武器炮管的传热模型众多研究者使用一种，即轴对称一文非稳态热传导。而武器与外界的具体传热则研究了两种，一个是击发时沿火药的湍流对管壁的影响，炮管外面的传热是与外界的气体主要为空气换热，主要方式是对流。 陈龙森借助膛内存在的包含气流对身管摩擦和传热的不稳定准一文流,以及复合材料身管管壁内的径向热传导关系,运用McCormack有限差分格式,计算了火炮连发时对流传热引起的复合材料身管膛壁的峰值温度和整个复合材料身管的温度场,由此估算因热原因引起的复合材料身管的烧蚀量,从而进一步预测其寿命,并且结合了多个设计方案对复合材料身管的烧蚀和寿命预测进行了对比研究,为复合材料身管的综合设计提供了重要的参考价值;北京208所卓穗如模拟了枪管温度场随弹道参量,身管结构及射击方式发生变化时的变化;河南科技大学机电工程学院胡志刚等在计算大口径舰炮的发射温度场时,采用了有限元商业软件ANSYS,在采用经验公示计算对流放热系数后以某口径火炮身管为例,对连发状态的身管温度及热应力场进行有限元分析,得出连发时温度和动态热应力的变化规律,对身管设计及提高身管的使用寿命有着指导和借鉴作用;南京理工大学机械工程学院吴永海、徐诚以某采用外液冷方式的某速射火炮身管为研究对象,建立了包括身管、冷却液和水套的流固祸合传热模型,使用有限元方法进行研究。研究表明:速射火炮的射频是决定身管内膛尖峰温度的极为重要的因素;对于速射火炮,外液冷却方式可以有效降低身管外壁的温度,但对于身管内膛温度的降低和寿命的提高作用有限,合理选择流速可以达到冷却效率与动力的最佳匹配;南京理工大学机械工程学院姚建军、徐诚等对速射武器身管受热的物理过程进行了细致的分析,并确定其边界条件,以某机枪为例用有限元法对连发射击过程中身管的热一应力祸合场进行了计算,求得身管管壁上距内膛表面不同截面处的温度一时间曲线和铬层与基体金属结合处的全等效应力一时间曲线及温度等效应力一时间曲线,计算结果与实测结果基本一致,结果对身管的设计和寿命预估具有指导意义;南京理工大学的胡振杰针对火炮发射过程中火药燃气的热作用和热应力对武器性能产生的不利影响,从保证发射安全性出发,以155mm大口径火炮为研究对象,对发射过程中火药燃气热传递和身管内部的温度分布和应力分布进行分析研究。主要包括:运用内弹道两相流理论,对膛内发射过程中的气流温度等参量进行数值模拟,推导临近膛壁的边界层方程和一文身管热传导方程,利用边界层简化模型进行计算分析,得到适合发射过程计算边界层传热的关系式,综合核心流、边界层传热和身管热传导三方面,运用差分方程法对单发和连续发射过程中的身管进行热分析研究,并运用有限元软件对身管的热弹性藕合进行研究,对提高火炮武器使用过程中的安全胜能将有很大的帮助。 吴永海等人研究了一种炮管，其炮管受到外界冷却作用，就是采用了加外冷却装置，传热模型的建立也依赖于经典内弹道学。使用的数学分析方法与本文一致， 得出了以下结论:炮管内壁的温度最大值受到武器发射频率的主要影响，采用强制冷却的方法可以有效减小炮管温度，然而另一方面，它对提高武器的使用年限方面的影响较为微小。 胡志刚,赵建波在“速射身管发射状态下的温度场及热应力的有限元分析”一文中先给出简单的数学模型以及前人总结的边界条件。研究了某口径火炮身管在以一定频率射击时的温度场特点。该文特点为在数值计算方面论述详尽。对数值分析方面的研究工作有较好的帮助。
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