彭克侠，刘树华，曹广群，方东旭，张孝明

（中北大学机电工程学院，太原 030051）

某火炮身管温度场分析

彭克侠，刘树华，曹广群，方东旭，张孝明

（中北大学机电工程学院，太原 030051）

针对火炮发射过程中，膛内高温火药燃气的热冲击形成的温度场对火炮寿命与射击精准度产生影响的问题，利用AnsysWorkbench软件平台建立了某火炮身管的有限元模型，基于非线性瞬态热力学理论对身管内外壁的对流传热过程进行了仿真，从而得出不同射速和不同环境温度下身管温度场的分布规律，为在不同外界环境条件下合理分配射速，提高身管寿命与其射击精准度提供参考。

身管，非线性，有限元，温度场

0 引言

随着现代科技的不断发展，提高威力、增加射速和提高区域适应性已经成为了火炮装备发展的必然趋势。然而伴随大威力与高射速产生的是更高的发射强度和对身管更严重的热冲击。火炮发射过程中，身管受到高温火药气体强瞬态周期性热冲击［2］。连续射击时，药室表面和膛线起始部的表面温度很高，使得金属机械性能下降，影响身管的寿命。由于身管发热严重，也会引起身管刚度变化，对火炮的射击精准度产生很大影响［2］。因此，为了能满足火炮装备发展需要，研究火炮射速和区域环境温度对身管温度场的影响是十分必要的。

为了得到更加切合实际的温度场分布情况，本文以某火炮身管为研究对象，利用AWE软件以非线性瞬态热力学分析了环境温度、射速对身管温度场的影响，同时由于火炮进行射击时两组弹的射击间隔时间与炮手装弹熟练程度有关，具有不确定性，对第二组弹射击时身管温度变化具有影响，因此，仿真时间定为身管自然冷却一段时间之后，进一步研究射击结束后身管温度变化规律。为在不同环境温度下合理分配射速，安排射击间隔时间，进而提高其寿命和射击精准度提供参考。

1 仿真模型的建立

1.1 身管有限元模型

本文以某火炮身管为研究对象，忽略身管上的圆角、倒角和其他细微结构，建立了三维有限元模型，本文身管有限元模型如图1所示。

图1 身管的有限元模型

1.2 身管材料参数

表1 材料性能参数

2 温度场理论分析

2.1 基本假设

①身管初温与相应的环境温度一致；②忽略弹丸对膛壁的摩擦及其热效应；③温度场具有轴向对称性。

2.2 瞬态热力学方程

由于膛内火药燃气具有强烈非稳定性，其温度随时间t变化，因此，火炮身管的温度场分析是一个非线性问题。在整个过程中，温度、热流率、热边界条件及能量均随时间t发生变化，根据能量守恒原理，非线性瞬态热力学分析方程为［4］：

式中，［K（t）］是传导矩阵，包括热系数、对流系数及辐射和形状系数；［C（t）］为比热矩阵，考虑系统内能的增加；{T}为节点温度向量；{T˙}为温度对时间的导数；{Q（t）}为节点热流率向量，包括热生成。

2.3 边界条件

工程中，热能传递有3种基本方式：热传导、热对流和热辐射。在进行火炮身管温度场边界条件设置时，也不外乎考虑这3种传热形式。对于身管内壁，虽然火炮发射时的膛内火药燃气的温度很高，辐射出大量能量，但因火药燃气压力高、密度大，吸收系数很高，致使大部分辐射能在未抵达身管内壁前便被吸收，因此，对其进行边界条件设置时可只考虑膛内火药燃气的强制对流传热［5］；对于身管外壁，因其始终暴露于外界环境空气中，所以其边界条件设置为自然对流传热；对于身管壁内，其热量主要以热传导的形式，由内向外传递。

2.3.1 内壁边界条件设置

火炮发射过程中，内壁主要考虑强制对流传热形式，其边界条件设置主要从膛内火药燃气温度历程和强制对流放热系数变化这两方面着手。

①火药燃气温度历程

膛内火药燃气温度在起始状态上升沿很陡，随后逐渐衰减，假设弹丸发射后效期结束时，膛内温度衰减到环境温度。因而可假定膛内火药燃气变化的一般方程为：

天葬师突然睁开了眼睛。幽深的双目，闪烁着红色的血芒，一如天葬刀骷髅的双瞳。他缓缓抬起双臂，将天葬刀举过头顶，口中发出一声嘶吼。但见罩在他体外的红骷髅，收束为一道红色的潮影，朝着天葬刀的刀锋捅去。它们汇入刀锋，转瞬凝成了一道数丈长的巨大刀影。随后，天葬师手握巨刀，猛力朝着尖锥劈下！

式中:Tb为爆温：A、B为待定拟合指数。

②膛内平均放热系数

身管膛内每个断面处的火药燃气放热系数是随时间变化的。但由于射击时间极短，为简化计算，取膛内平均放热系数αg作为弹后区域的强制对流放热系数，即

式中：tp为弹丸在膛内运动时间

火炮发射时，随时间的推移，弹丸向前移动，位于弹丸后方区域受到高温燃气作用，而位于弹丸前部区域未受到作用，所以对火炮膛内进行温度边界设置时，将身管内壁分成多段，分别对其施加内边界，处于弹丸前部时进行自然对流处理，处于弹丸后部的时间进行强制对流处理。

2.3.2 外壁边界条件设置

火炮发射过程中，身管外壁放热，靠近身管的空气受热后密度变小，向上升起，把热量带走，周围的冷空气流来补充，如此反复，身管的热量得以散失。这种传热过程称为自然对流换热。因研究自然对流传热时，固体边界的几何形状和位置比较重要。所以本文可以把身管外壁对周围环境的自然对流传热简化为水平圆柱的自然对流传热［6］。麦克阿当斯通过对水平圆柱的实验研究，得出：Nud=0.53（GrDPr）1/4，之后与经验公式联立可得身管自然对流换热系数为：

式中：GrD称葛拉晓夫数，对理想气体，他定义为，其中：D为身管外径，TF为身管外壁定性温度，T∞为身管初始温度，v为定性温度下的空气粘度。

3 参数对身管温度场分布的仿真与分析计算

本文利用非线性瞬态热力学分别仿真分析了火炮6 r/min和8 r/min两种射速以及-40℃、20℃和50℃3种环境温度对身管温度场分布的影响。本文对于这两个问题均采用定量的方式进行仿真计算。即当研究射速时环境温度一定；当研究环境温度影响时射速一定。其具体设置为：研究射速的影响时，火炮在20℃环境温度下以6 r/min和8 r/min两种射速射弹6发后进行分析；研究环境温度的影响时，火炮以6 r/min射速在-40℃、20℃和50℃3种环境温度条件下射弹6发进行分析。

3.1 射速对火炮身管温度场的影响

首先以6 r/min的射速进行仿真，即以10 s为周期将身管的膛内温度和内外边界条件循环加载到身管膛内和内外壁上，循环6次后停止射击，但为了便于两种射速下身管散热情况的对比，让其自然冷却40 s，即仿真结束的时间设为100 s，其中每一分析子部为自定义0.1 s；其次以8 r/min进行射击时，以7.5 s为周期进行循环加载，6发结束后为45 s，之后自然冷却55 s，同样仿真结束时间为100 s，每一子部设置为0.1 s；最后对膛线起始部截面处由内向外依次取A、B、C、D、E 5个点查看身管径向温度场变化。仿真结束后，身管内外壁最大温度值曲线、以及膛线起始部截面处径向5点的温度曲线如图2~图5所示。

图2 6 r/min时身管内外壁最大温度变化

图3 8 r/min时身管内外壁最大温度变化

图4 6 r/min时膛线起始部径向温度变化

图5 8 r/min时膛线起始部径向温度变化

由图2与图3中不难看出，随着射弹数的增加，身管内外壁的温度均呈增长趋势，与文献［7］和文献［2］得出的温升规律相符。射弹结束后，内壁温度迅速减小，而外壁温度首先缓慢增长到内外壁同温，之后再逐渐减小。形成这种情况的主要原因是：射弹结束后，膛内温度迅速恢复到环境温度。对于内壁其热源消失，取而代之的是环境低温，造成身管内壁处热量一部分向外壁传递散热，另一部分向膛内对流散热，使得内壁温度迅速减小；对于外壁，虽然膛内热源已经消失，但仍有部分热量由内壁向外壁进行传递，如图4、图5所示，火炮射击时身管径向各个位置的温升速率的不一致，造成了射击结束时身管外壁仍有热源，所以在短时间外壁温度扔缓慢增加，直至内外壁温度相同，之后由于身管总体内热源的消失，身管缓慢散热［8］。

经过对仿真数据处理，得出6 r/min和8 r/min两种射速的外壁最大温升对比曲线，如图6所示。在图中可以看出8 r/min相对6 r/min，身管外壁温升速率较快，且完成6发弹射击后，8 r/min所产生的最高温度值为540.84℃，6 r/min所产生的最高温度值为539.49℃，前者高于后者。但在发射相同数量弹丸时，6 r/min所产生的外壁最大温度要高于8 r/min所产生的如表2所示，且射弹结束后达到的温度平衡值6 r/min高于8 r/min。通过对6 r/min和8 r/min两种射速下温度场的对比，可以得到：射击时间一定时，随着射速的增加，两发弹间隔的散热时间减小，造成身管温度迅速增加到一个较高值；射击弹丸数一定时，随着射速的增加，其外壁所产生的最大温度值减小。

图6 6 r/min和8 r/min时外壁最大温升曲线

图7 不同温度下身管外壁最大温度曲线

表2 射弹结束身管最大温度

3.2 环境温度对火炮身管温度场的影响

本文分别取环境温度为-40℃、20℃和50℃，射速均为6 r/min，射击弹丸数目为6发，之后散热40 s。其中自然对流散热状态的换热系数h由3.3.2中方程组分别求解出，仿真结束时间为100 s，每一子部设置为0.1 s。此处装药温度保持20℃不变，则膛内火药气体温度变化规律不变。通过对仿真结果的数据处理可得：-40℃、20℃和50℃下的身管内外壁对比曲线如图7、图8所示，膛线起始部截面A、B、C、D 4点处温度变化曲线如图9~图12所示。

图8 不同温度下身管内壁最大温度曲线

图9 不同环境温度下A点温度变化规律

图10 不同环境温度下B点温度变化规律

图11 不同环境温度下C点温度变化规律

图12 不同环境温度下D点温度变化规律

由图7和图8可以看出，在3种环境温度下，随着射击弹丸数目的增加，身管因热量的不断积累其最大温度值均呈周期性增长。其与文献［7］得出的温升规律相符。环境温度越高时，对流换热强度越低，导致散热量减小，如图7中射弹结束后的40 s所示：-40℃时散热最快，20℃时其次，50℃时散热最慢如表3所示。但传入身管内的热量不仅取决于换热强度的变化，还受到温差以及材料的热传导性能的影响。经过对-40℃、20℃和50℃3种环境温度下身管温度场的分析得到：-40℃和20℃下身管的温升速率要高于50℃，最终导致20℃时外壁的最大温度值最高，-40℃时其次，50℃时最低如表3所示。虽然50℃时身管的散热量最小，但由于其温差量的减小和材料导热性能的降低，最终导致身管外壁所产生的最大温度值最低。同时由图9~图12也不难看出，身管随着环境温度的升高，温升速率沿身管径向由内向外呈减小趋势。

表3 身管外壁温度值

4 结论

本文建立某火炮身管的有限元模型，分析了其在6 r/min和8 r/min两种具体射速下的温度场变化规律和在-40℃、20℃、50℃这3种具体环境下的温度变化规律。通过对其结果数据的处理可以得到如下结论：

①射击时间一定时，随着射速的增加，两发弹间隔的散热时间减小，造成身管温度迅速增加到一个较高值；射击弹丸数一定时，随着射速的增加，其外壁所产生的最高温升量减小；

②环境温度越高时，对流换热强度越低，导致散热量减小，散热慢；但传入身管内的热量不仅取决于换热强度的变化，还受到温差以及材料的热传导性能的影响；身管随着环境温度的升高，其温升速率沿身管径向由内向外呈减小趋势。

仿真得出射击时的温升规律和射击结束后的散热规律。为火炮在不同的区域环境下，合理分配射速，安排射击间隔时间，从而进一步提高身管寿命和射击精度提供参考。

［1］潘玉田.炮身设计［M］.北京:兵器工业出版社，2007：290-299.

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Tem perature Field Analysisof Gun Barrel

PENGKe-xia，LIU Shu-hua，CAOGuang-qun，FANGDong-xu，ZHANGXiao-ming
（School ofMechanical and Electrical Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

For the problem that in the firing process，temperature field produced by the thermal shock of chamber temperature propellant gas affects gun life and shooting accuracy，establish the finite element of gun barrelmodel by using AnsysWorkbench software platform，simulate the convective heat transfer process based on the outer wall of barrel by using nonlinear transient thermodynamic theory.The temperature-time curves of both inside and outside surface are gotten under different firingmodes and different environment temperature.Provide reference for the reasonable distribution of firing rate in differentenvironmental conditions to improve the life of barrel and the shooting precision.

barrel，nonlinear，finiteelement，temperature field

TJ33；TP391.9

A

1002-0640（2015）11-0080-04

2014-09-29

2014-11-07

彭克侠（1990- ），男，河北石家庄人，硕士研究生。研究方向：火炮防空反导。