兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (11): 4119-4132.doi: 10.12382/bgxb.2024.0676
收稿日期:
2024-08-08
上线日期:
2024-11-26
通讯作者:
基金资助:
GE Zhongyu, ZHOU Kedong*(), LU Ye, LIU Jinhao
Received:
2024-08-08
Online:
2024-11-26
摘要:
为研究某小口径步枪发射过程中身管膛内的应力场与温度场,建立弹头膛内运动时期弹头/身管相互作用的精细热力耦合有限元模型,其中考虑了温度对身管与被甲材料力学性能的影响以及枪管钢力学性能的各向异性。仿真获得覆铜钢被甲弹头和铜被甲弹头挤进运动规律与身管膛内应力状态变化。研究结果表明:被甲材料的不同对挤进过程有很大影响,钢被甲弹头挤进阻力大于铜被甲,相应地前者膛内应力也大于后者;身管不同轴向位置处应力分布规律不同,坡膛处内膛应力最大值在阳线导转侧,膛口处内膛应力最大值在阴线上。研究结果为优化弹头/枪管匹配提供了支持。
中图分类号:
盖钟雨, 周克栋, 陆野, 刘锦豪. 发射不同被甲材料弹头各向异性身管膛内应力状态[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 4119-4132.
GE Zhongyu, ZHOU Kedong, LU Ye, LIU Jinhao. Stress States of Anisotropic Material Gun Barrel by Firing the Projectiles with Different Jacket Materials[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(11): 4119-4132.
方向 | 弹性模量/ GPa | 屈服极限/ MPa | 抗拉强度/ MPa | 伸长率/ % |
---|---|---|---|---|
径向 | 211 | 1084 | 10.07 | |
周向 | 211 | 945 | 1067 | 15.52 |
轴向 | 213 | 988 | 10.86 |
表1 30SiMn2MoV钢力学性能
Table 1 Mechanical properties of 30SiMn2MoV steel barrel
方向 | 弹性模量/ GPa | 屈服极限/ MPa | 抗拉强度/ MPa | 伸长率/ % |
---|---|---|---|---|
径向 | 211 | 1084 | 10.07 | |
周向 | 211 | 945 | 1067 | 15.52 |
轴向 | 213 | 988 | 10.86 |
T/K | E/ GPa | ν | k/ (W·m-1·K-1) | α/ K-1 | cp/ (J·k · ) |
---|---|---|---|---|---|
298 | 211 | 0.277 | 48.00 | 1.15×10-5 | 480 |
473 | 202 | 0.286 | 44.70 | 1.28×10-5 | 553 |
673 | 186 | 0.290 | 43.12 | 1.43×10-5 | 611 |
873 | 168 | 0.277 | 37.47 | 1.51×10-5 | 754 |
973 | 160 | 0.284 | 31.40 | 1.40×10-5 | 849 |
表2 30SiMn2MoV钢材料热物理特性参数
Table 2 Thermophysical parameters of 30SiMn2MoV steel barrel
T/K | E/ GPa | ν | k/ (W·m-1·K-1) | α/ K-1 | cp/ (J·k · ) |
---|---|---|---|---|---|
298 | 211 | 0.277 | 48.00 | 1.15×10-5 | 480 |
473 | 202 | 0.286 | 44.70 | 1.28×10-5 | 553 |
673 | 186 | 0.290 | 43.12 | 1.43×10-5 | 611 |
873 | 168 | 0.277 | 37.47 | 1.51×10-5 | 754 |
973 | 160 | 0.284 | 31.40 | 1.40×10-5 | 849 |
A/MPa | B/MPa | C | n | m | Tm/K |
---|---|---|---|---|---|
112 | 505 | 0.009 | 0.42 | 1.68 | 1331 |
Tr/K | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 |
298 | 0.54 | 4.89 | -3.03 | 0.014 | 1.12 |
表3 铜被甲材料参数
Table 3 Material parameters of copper jacket
A/MPa | B/MPa | C | n | m | Tm/K |
---|---|---|---|---|---|
112 | 505 | 0.009 | 0.42 | 1.68 | 1331 |
Tr/K | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 |
298 | 0.54 | 4.89 | -3.03 | 0.014 | 1.12 |
T/K | E/ GPa | k/ (W·m-1·K-1) | α/ K-1 | cp/ (J·kg-1·K-1) |
---|---|---|---|---|
298 | 123 | 386 | 1.78×10-5 | 383 |
403 | 117 | 400 | 1.78×10-5 | 400 |
603 | 102 | 420 | 1.88×10-5 | 420 |
903 | 90 | 450 | 2.09×10-5 | 450 |
表4 铜被甲材料热学性能参数
Table 4 Material thermophysical parameters of copper jacket
T/K | E/ GPa | k/ (W·m-1·K-1) | α/ K-1 | cp/ (J·kg-1·K-1) |
---|---|---|---|---|
298 | 123 | 386 | 1.78×10-5 | 383 |
403 | 117 | 400 | 1.78×10-5 | 400 |
603 | 102 | 420 | 1.88×10-5 | 420 |
903 | 90 | 450 | 2.09×10-5 | 450 |
部件 | E/ GPa | ρ/ (kg·m-3) | ν | k/ (W·m-1·K-1) | cp/ (J·kg-1·K-1) |
---|---|---|---|---|---|
铅套 | 17 | 11340 | 0.42 | 40 | 130 |
钢芯 | 190 | 7800 | 0.30 | 35 | 460 |
表5 铅套、钢芯材料属性
Table 5 Material parameters of lead sheath and steel core
部件 | E/ GPa | ρ/ (kg·m-3) | ν | k/ (W·m-1·K-1) | cp/ (J·kg-1·K-1) |
---|---|---|---|---|---|
铅套 | 17 | 11340 | 0.42 | 40 | 130 |
钢芯 | 190 | 7800 | 0.30 | 35 | 460 |
最小单 元尺寸/ mm | 单元 数量 | 仿真所需 时间/h | 弹头最大 速度仿真值/ (m·s-1) | 与试验值的 相对误差/ % |
---|---|---|---|---|
0.20 | 556545 | 13.0 | 878.04 | 4.56 |
0.10 | 1113090 | 25.0 | 891.67 | 3.08 |
0.05 | 2226180 | 45.0 | 909.25 | 1.20 |
表6 不同网格密度下弹头最大速度
Table 6 Maximum velocities of projectile under different mesh densities
最小单 元尺寸/ mm | 单元 数量 | 仿真所需 时间/h | 弹头最大 速度仿真值/ (m·s-1) | 与试验值的 相对误差/ % |
---|---|---|---|---|
0.20 | 556545 | 13.0 | 878.04 | 4.56 |
0.10 | 1113090 | 25.0 | 891.67 | 3.08 |
0.05 | 2226180 | 45.0 | 909.25 | 1.20 |
图12 挤进结束时刻发射钢被甲弹坡膛应力场与温度场
Fig.12 Stress field and temperature field of chamber throat acted by steel jacketed projectile at the end of engraving process
图13 挤进结束时刻发射铜被甲弹坡膛应力场与温度场
Fig.13 Stress field and temperature field of chamber throat acted by copper jacketed projectile at the end of engraving process
被甲 | 阳线导转侧单元最大应力值 | 阴线单元最大应力值 |
---|---|---|
钢被甲 | 1099MPa (von Mises) -1031MPa (S11) -876MPa (S33) | 689MPa (von Mises) -443MPa (S11) 380MPa (S22) |
铜被甲 | 1045MPa (von Mises) -901MPa (S11) -848MPa (S33) | 636MPa (von Mises) -328MPa (S11) 456MPa (S22) |
表7 坡膛单元最大应力
Table 7 Maximum stress in chamber throat
被甲 | 阳线导转侧单元最大应力值 | 阴线单元最大应力值 |
---|---|---|
钢被甲 | 1099MPa (von Mises) -1031MPa (S11) -876MPa (S33) | 689MPa (von Mises) -443MPa (S11) 380MPa (S22) |
铜被甲 | 1045MPa (von Mises) -901MPa (S11) -848MPa (S33) | 636MPa (von Mises) -328MPa (S11) 456MPa (S22) |
被甲 | 阳线导转侧单元 最大剪切应力值 | 阳线非导转侧单元 最大剪切应力值 |
---|---|---|
钢被甲 | -295MPa (S12) -94MPa (S13) 228MPa (S23) | 288MPa (S12) -54MPa (S13) -119MPa (S23) |
铜被甲 | -234MPa (S12) 82MPa (S13) 221MPa (S23) | 242MPa (S12) -52MPa (S13) -87MPa (S23) |
表8 坡膛阳线单元最大剪切应力
Table 8 Maximum shear stress in land element at chamber throat
被甲 | 阳线导转侧单元 最大剪切应力值 | 阳线非导转侧单元 最大剪切应力值 |
---|---|---|
钢被甲 | -295MPa (S12) -94MPa (S13) 228MPa (S23) | 288MPa (S12) -54MPa (S13) -119MPa (S23) |
铜被甲 | -234MPa (S12) 82MPa (S13) 221MPa (S23) | 242MPa (S12) -52MPa (S13) -87MPa (S23) |
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