CN107702589A - 一种基于复合材料的轻量化火炮身管 - Google Patents

一种基于复合材料的轻量化火炮身管 Download PDF

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毛保全
徐振辉
韩小平
冯帅
王之千
白向华
吴东亚
杨振军
高玉水
杨雨迎
辛学敏
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    • F41—WEAPONS
    • F41A—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS COMMON TO BOTH SMALLARMS AND ORDNANCE, e.g. CANNONS; MOUNTINGS FOR SMALLARMS OR ORDNANCE
    • F41A21/00—Barrels; Gun tubes; Muzzle attachments; Barrel mounting means
    • F41A21/02—Composite barrels, i.e. barrels having multiple layers, e.g. of different materials

Abstract

本发明公开了一种基于复合材料的轻量化火炮身管，火炮身管上的台阶面将火炮身管从后向前分切为第一段、第二段、第三段、抽气机段以及第四段，所述第一段、第二段、第三段和第四段外壁一定厚度的炮钢使用四层复合材料替代，所述四层复合材料缠绕在火炮身管上；所述四层复合材料自内向外依次分为第一层、第二层、第三增和第四层，所述第一层复合材料纤维方向与身管轴线方向垂直，所述第二层复合材料纤维方向与第一层复合材料纤维方向呈45°，所述第三层复合材料纤维方向与第二层复合材料的纤维方向垂直，所述第四层复合材料纤维方向与身管轴线方向垂直。本发明通过将外侧炮钢替换成符合材料，能够满足身管强度的要求，同时大大降低了身管的重量。

Description

一种基于复合材料的轻量化火炮身管
技术领域
本发明属于火炮身管技术领域，特别涉及一种基于复合材料的轻量化火炮身管。
背景技术
火炮是指一种历史悠久的重型攻击武器。从诞生到现在，特别是经过近一百多年来的技术发展，火炮已经形成多系列、多弹种、多种毁伤方式的重要作战兵器。但是笨重的火炮越来越难以适应现代战争的要求。因此近年来，各国都将火炮轻型化作为重点攻克项目，希望在不降低火炮战技性能的前提下，实现火炮的轻型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于复合材料的轻量化火炮身管，通过对复合材料层层数、位置、缠绕角度的设置，满足身管强度前提下降低身管重量。
本发明提供的技术方案为：
一种基于复合材料的轻量化火炮身管，火炮身管上的台阶面将火炮身管从后向前分切为第一段、第二段、第三段、抽气机段以及第四段，所述第一段、第二段、第三段和第四段外壁一定厚度的炮钢使用四层复合材料替代，所述四层复合材料缠绕在火炮身管上；
所述四层复合材料自内向外依次分为第一层、第二层、第三增和第四层，所述第一层复合材料纤维方向与身管轴线方向垂直，所述第二层复合材料纤维方向与第一层复合材料纤维方向呈45°，所述第三层复合材料纤维方向与第二层复合材料的纤维方向垂直，所述第四层复合材料纤维方向与身管轴线方向垂直；
所述第一段上的四层复合材料厚度为18-22mm，所述第二段上的四层复合材料厚度为8-12mm，所述第三段上的四层复合材料厚度为8-12mm，所述第四段上的四层复合材料厚度为5-7mm。
优选的是，所述第一段上的四层复合材料厚度为20mm。
优选的是，所述第一段上的四层复合材料中每层厚度均为5mm。
优选的是，所述第二段上的四层复合材料厚度为10mm。
优选的是，所述第二段上的四层复合材料中第一层至第四层的厚度依次为3mm、2mm、2mm、3mm。
优选的是，所述第三段上的四层复合材料厚度为10mm。
优选的是，所述第三段上的四层复合材料中第一层至第四层的厚度依次为3mm、2mm、2mm、3mm。
优选的是，所述第四段上的四层复合材料厚度为6mm。
优选的是，所述第四段上的四层复合材料中每层厚度均为1.5mm。
优选的是，所述四层复合材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
本发明的有益效果为：本发明提供的基于复合材料的轻量化火炮身管，通过将外侧炮钢替换成符合材料，能够满足身管强度的要求，同时大大降低了身管的重量。
附图说明
图1为本发明所述的内弹道压力随时间变化关系示意图。
图2为全金属身管的Mises应力分布示意图。
图3为全金属身管的等效塑性应变分布。
图4为全金属身管Mises应力最大的两个截面示意图。
图5为全金属身管柱坐标系下的径向应力和环向应力示意图。
图6为基于复合材料的轻量化火炮身管结构示意图。
图7为基于复合材料的轻量化火炮身管Mises应力分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
火炮射击时，身管的工作环境极为恶劣。火药燃气让这里的温度高达3000℃以上，高温不仅会严重烧蚀身管，而且可能引起身管变形；高膛压火炮炮膛内壁的压强高达500—700兆帕，身管必须要有足够的强度和韧性。高温、高压、摩擦、腐蚀是火炮身管生产必须直面的四大难题。
本发明首先通过对全金属身管进行有限元分析，查看发射过程中身管所承受的应力以及应变。
本发明以某125mm滑膛坦克炮为例，该炮身管长约6m，身管尾端通过螺纹固定在炮尾，炮身中部有抽气机，炮口部装有其他辅具。发射时该炮在火药气体的作用下沿摇架导轨后坐一定距离，然后在复进机的驱动下返回到初始位置。
该炮发射穿甲弹时膛压随时间变化曲线如图1所示，最大膛压约为493.0MPa(+15℃)，低温膛压约为450MPa(-40℃)，高温膛压约为540.0MPa(+50℃)，属于高膛压火炮。
炮身材料为PcrNiMoVA钢，查阅相关资料得到其材料的物理力学性能如表1所示。
表1炮钢的力学性能
由于身管经过液压自紧，内膛表面存在一定的塑性层，材料的弹性极限得到增强(mE)。自紧后产生塑性变形的内层材料将阻止外层材料的弹性恢复，因此沿着身管径向形成了内层受压外层受拉的预应力场。该残余应力与发射时的膛压(P)叠加后，将减小膛压的影响，改善身管的应力分布，从而大幅度地提高身管的承载能力。因此对内膛的承载能力的分析必须考虑身管的残余应力和炮管塑性强化的综合性影响。
使用有限元方法可以精确地计算沿身管轴线方向不同截面上的受力情况，同时还可以方便地建立复合材料身管的简化物理模型并获得精确解，因此考虑使用静态有限元方法作为本次分析的主要手段。承压厚壁圆筒理论经过长时间的工程应用其准确性获得了充分的验证，但对于沿轴线方向截面不断变化的身管和缠绕复合材料的身管，使用厚壁圆筒理论计算较为复杂，因此将其做为校验有限元计算结果准确性的手段，只针对部分身管截面的受力情况进行校核。
计算完成后，查看身管的Mises应力分布，如图2所示，发现药室部分和膛压极值点处的Mises应力均高于其他地方，分别为1280.1MPa和1217.2MPa。药室部分出现极大Mises应力的原因是药室部分承受的膛压较大；但是在装配情况下，药室(身管)的外壁有螺纹和其他结构相连接，承载能力得到一定的加强，因此在实际使用过程中此处即使出现较大的Mises应力，安全系数也不会所降低。在最大膛压值处身管内壁的Mises应力约为1217.2MPa，由于内膛经过液压自紧得到强化，此处的安全系数依然能够保证大于1.1；身管的数值计算结果与实际情况基本相符，这一点可以从等效塑形应变云图，图3上看出。
如图4所示，查看Mises应力最大的两个截面可以发现，最大应力只存在于内膛表面并均匀地向身管外壁递减。当前使用的计算模型，由于前三层网格的尺寸设置比较合理，因此可以捕捉到较为准确的应力梯度。
因此从总体来说，即使火炮在高温膛压下发射，其身管依然在弹性范围内工作，并不会发生塑形变形和破坏。根据材料力学中的厚壁圆筒理论，可以计算出一定内压P的情况下，管壁内外任意一点的应力情况；轴向力比较小，所以在这里可以忽略不计。
对于切向力，
对于径向力，
在ABAQUS输出的ODB数据中，建立一个位于身管轴线上的圆柱坐标系并查看身管的径向、环向和轴向应力；通过在轴线上选择一定数量的点，并查看该点截面的应力分布情况，通过和理论解相对比，可以验证金属身管数值计算的准确性，结果如表2所示。
表2有限元计算结果和理论计算结果的对比
从表2中可以看出，除了靠近炮尾端面的计算误差比较大以外，其他截面处的误差均控制在±5％左右，因此说明当前有限元建模和各项设置是合理的。炮尾端面应力计算不准确的原因在于：计算过程中在炮尾实施了完全固定这一边界条件，当膛压加载到附近的内膛单元表面上时，此处存在较大的轴向力。在炮尾端面加密网格，可以改善这一问题，但不会完全消除这一问题；由于本研究主要关注点不在于炮尾端面，所以本项目不再加密身管后端的有限元网格，而以当前的网格尺寸和数量作为所有后续计算的基础。
如图5所示，通过输出最大膛压值处截面的径向和环向应力，可以看出，身管内壁的应力梯度很大，前两层网格基本承受了径向和环向应力，这两层网格厚度大约10mm，相当于身管自紧后的塑形层厚度；径向应力在内壁最大，外壁的径向应力基本为零，和实际情况相符；内壁和外壁的环向应力为拉应力，且外壁的环向应力约为内壁的一半。
综上所述，当前的网格尺寸、数量和相关设置达到了工程上所需的精度，为后续复合材料身管的建模和分析提供了一定的知识支持；只要设定合适的复合材料层用于承受身管外壁的环向拉应力，就有可能实现坦克炮的轻量化目标。
因此，本发明提供了一种基于复合材料的轻量化火炮身管，身管的整个外壁除了火炮抽气机部分，均适当地缠绕一定厚度的复合材料层，以达到减轻身管重量的目的。身管后段可以缠绕相对较厚的复合材料，为了保证身管刚度和强度，身管前段的缠绕层可以相对较薄。
如图6所示，火炮身管除抽气机段外，由火炮身管上的台阶面将火炮身管分切为依次从后向前第一段110、第二段120、第三段130和第四段140，所述第一段110、第二段120、第三段130和第四段140外壁一定厚度的炮钢使用四层复合材料替代，所述四层复合材料缠绕在火炮身管上。
以切向缠绕方向为0°，四层复合材料自内向外每层的缠绕角度依次为0°、45°、-45°、0°
第一段110上侧四层复合材料厚度为20mm，每层厚度均为5mm。
第二段120上侧四层复合材料厚度为10mm，自内向外每层厚度依次为3mm、2mm、2mm、3mm。
第三段130上侧四层复合材料厚度为10mm，自内向外每层厚度依次为3mm、2mm、2mm、3mm。
第四段140上侧四层复合材料厚度为6mm，每层厚度均为1.5mm。
所述四层复合材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
将本发明提供的基于复合材料的轻量化火炮身管进行有限元分析，如图7所示，基于复合材料的轻量化火炮身管的最大Mises应力较金属身管提高了3.4％，但并未超过炮钢强化层的弹性极限，交界处(抽气机附近)的Mises应力比降低到1.31左右，且整个金属内衬都没有塑形应变。纤维和基体都没有损伤，且基体拉伸损伤临界值也只在0.3左右，需要很多次疲劳循环才可以将损伤临界值提高到1，才有可能导致复合材料层出现损伤和失效。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于复合材料的轻量化火炮身管，其特征在于，火炮身管上的台阶面将火炮身管从后向前分切为第一段、第二段、第三段、抽气机段以及第四段，所述第一段、第二段、第三段和第四段最内层分别采用不同厚度的炮钢，在所述炮钢外使用四层复合材料包裹，所述四层复合材料缠绕在火炮身管上；
所述四层复合材料自内向外依次分为第一层、第二层、第三层和第四层，所述第一层复合材料纤维方向与身管轴线方向垂直，所述第二层复合材料纤维方向与第一层复合材料纤维方向呈45°，所述第三层复合材料纤维方向与第二层复合材料的纤维方向垂直，所述第四层复合材料纤维方向与身管轴线方向垂直；
所述第一段上的四层复合材料厚度为18-22mm，所述第二段上的四层复合材料厚度为8-12mm，所述第三段上的四层复合材料厚度为8-12mm，所述第四段上的四层复合材料厚度为5-7mm。
2.根据权利要求1所述的基于复合材料的轻量化火炮身管，其特征在于，所述第一段上的四层复合材料厚度为20mm。
3.根据权利要求2所述的基于复合材料的轻量化火炮身管，其特征在于，所述第一段上的四层复合材料中每层厚度均为5mm。
4.根据权利要求1所述的基于复合材料的轻量化火炮身管，其特征在于，所述第二段上的四层复合材料厚度为10mm。
5.根据权利要求4所述的基于复合材料的轻量化火炮身管，其特征在于，所述第二段上的四层复合材料中第一层至第四层的厚度依次为3mm、2mm、2mm、3mm。
6.根据权利要求1所述的基于复合材料的轻量化火炮身管，其特征在于，所述第三段上的四层复合材料厚度为10mm。
7.根据权利要求5所述的基于复合材料的轻量化火炮身管，其特征在于，所述第三段上的四层复合材料中第一层至第四层的厚度依次为3mm、2mm、2mm、3mm。
8.根据权利要求1所述的基于复合材料的轻量化火炮身管，其特征在于，所述第四段上的四层复合材料厚度为6mm。
9.根据权利要求8所述的基于复合材料的轻量化火炮身管，其特征在于，所述第四段上的四层复合材料中每层厚度均为1.5mm。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的基于复合材料的轻量化火炮身管，其特征在于，所述四层复合材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
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