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隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛行器的飛行速度和作戰(zhàn)性能越來越優(yōu)越，這就對防空武器的機(jī)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(qiáng)度和散熱性能的要求也就越來越嚴(yán)格。由火炮身管設(shè)計(jì)理論可知，在保證身管內(nèi)徑要求的情況下，可以通過提高身管外徑或改進(jìn)身管結(jié)構(gòu)來提高其散熱性能和強(qiáng)度。傳統(tǒng)身管是一個圓環(huán)形的截面，為了提高其強(qiáng)度及散熱性能，采用星形身管來滿足此要求。本文就以某現(xiàn)有高炮身管為例，采用ANSYSWorkbench軟件，對傳統(tǒng)和星形兩種身管進(jìn)行結(jié)構(gòu)FEA強(qiáng)度分析。
本次分析中主要考慮身管，因此省略其他相關(guān)結(jié)構(gòu)。先對傳統(tǒng)身管進(jìn)行強(qiáng)度分析，然后改進(jìn)結(jié)構(gòu)，對星形身管進(jìn)行強(qiáng)度分析。圖為傳統(tǒng)身管與星形截面身管對比圖。
根據(jù)身管的實(shí)際模型和受力情況，對兩種身管的計(jì)算模型做如下假設(shè)和簡化：
(1)在彈丸發(fā)射過程中，身管受到很大的火藥燃?xì)鉀_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?xì)鉀_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(tǒng)的身管分析中，人們往往將最大膛壓施加到身管內(nèi)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(nèi)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(jìn)行有限元分析時必須考慮到不同時刻身管內(nèi)壁的受力各不相同。
在火炮發(fā)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(nèi)彈道p-t曲線。在火炮發(fā)射過程中，隨著彈丸的向前運(yùn)動，位于彈丸前部的區(qū)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(nèi)壁分成20段。
對模型施加載荷及約束，劃分網(wǎng)格后計(jì)算。
對于傳統(tǒng)身管，其質(zhì)量為284.4kg。結(jié)果顯示身管的最大應(yīng)力發(fā)生在t=3.11X10時，大小為641.83Mpa；炮口處壓力為Wz=276.5MPa，發(fā)生在tlz=6.94X10時。傳統(tǒng)身管的分析結(jié)果見圖。
該高炮身管材料為40Cr，其強(qiáng)度極限為980Mpa，因此該身管安全系數(shù)為n=980/641.83=1.53；炮口處安全系數(shù)為nz=980/276.5=3.54。由于火炮身管安全系數(shù)最低值的范圍是：藥室和彈丸導(dǎo)向部為1.2-1.3，炮口部為2.0-2.5�？梢妭鹘y(tǒng)身管超出其安全范圍。據(jù)此對星形身管進(jìn)行設(shè)計(jì)并校核其強(qiáng)度。
計(jì)算結(jié)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，可見在保證身管強(qiáng)度的同時，達(dá)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(tǒng)身管和星形身管進(jìn)行了有限元分析。在保證身管強(qiáng)度的情況下，改進(jìn)身管結(jié)構(gòu)，達(dá)到火炮的戰(zhàn)地要求。同時，為火炮身管及其他結(jié)構(gòu)的計(jì)算提供了一種新的計(jì)算方法。
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