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摘要为了全方面的提高火炮的战术技术指标，一种全新的思想开始出现，运用复合材料于火炮身管的设计，从而达到延长身管的寿命，提高自身的刚度，减轻身管的质量的目的。本文结合了复合材料力学、热力学、弹塑性动力学对复合材料身管进行了在热-压力载荷下的仿真模拟，得到了应力分布图。提供了一定的参考数据给复合材料身管应在火炮身管分析设计的实际应用。本文选定各向异性材料的力学特性这一角度，建立火炮身管的力学模型。采用ABAQUS有限元分析软件，建立复合材料身管的三文模型，添加约束、施加相应的瞬态载荷、划分网格，如此等到具有一定可靠性的仿真结果。29156
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关键词 火炮 复合材料身管 有限元 耦合载荷
毕业论文设计说明书外文摘要
Title The Simulation of Composite Material Barrel under
Thermal-Mechanical Impact
Abstract
To reduce the weight of barrel ,improve its stiffness and prolongs its service life ,composite material began to be applied in barrel .According to mechanics of composite material, thermodynamics ,elastic-plastic dynamics composite material barrel is simulated with thermal-mechanical impact ,and calculated the stress envelope. These results can be reference in the study of composite material barrel’s application. Composite material barrel’s mechanical model was set up based on the anisotropic mechanics, after that , use FEA idea and ABAQUS to analyze simulation results.
Keywords Artillery Composite Material Barrel FEA Coupling Load
目 次
1 绪论 1
2 复合材料身管的基本理论 4
2.1 复合材料的特点与应用 4
2.2 复合材料力学基础 4
2.2.1 各向异性材料的弹性理论 4
2.2.2 具有一个对称面的材料 8
2.2.3 正交各向异性 11
2.2.4 横观各向同性材料 12
2.2.5 各向同性材料 13
2.3 复合材料强度理论 14
2.3.1 四种常用的强度理论 14
2.3.2 单层复合材料的强度理论 15
3 复合材料身管的热弹性分析 19
3.1 内弹道过程的热力学性质 19
3.2 复合身管的热弹性 20
3.2.1 热弹性理论 20
3.2.2 热传导控制方程以及边界条件 21
3.2.3 热传导的有限元一般格式 22
3.2.4 热弹性应力的有限元基本方程 24
4 仿真模拟 25
4.1 有限元分析方法 25
4.1.1 有限元分析方法基本简介 25
4.2 ABAQUS软件 26
4.2.1 ABAQUS软件的简介 26
4.2.2 ABAQUS仿真分析复合材料的一般步骤 26
4.3 ABAQUS仿真模拟 27
4.3.1 ABAQUS仿真的有限元模型与仿真过程 27
4.3.2 仿真结果与分析 30
结 论 34
致 谢 35
参考文献36
1 绪论
火炮是一种身管射击的武器，它利用火药气体压力来发射弹丸等战斗部，它的发射能源来自于发射药。火炮是各种武器中使用最频繁的，它被各国的军队广泛使用在各种兵种上，它具有具有抗干扰能力强、持续战斗力强、毁伤威力大、目标特征小、反应速度快、攻防性能兼备、可靠性好、操作文护简易、弹药种类丰富、造价低廉等特点。以力学理论以及材料力学理论来对火炮设计问题进行近似的描述，进而得到零部件和导出机构的设计方法称为经典火炮设计理论。20世纪中后页，火炮的设计迎来了第二次的更新换代时期，当时的战斗环境对火炮的综合性能及威力提出了越来越多的要求。这需要火炮的设计理论更加的系统、更加的精细以及更加的深入的来描述发射的过程。在考虑了动态耦合及零部件的质量分布的火炮发射动力学理论快速革新的基础之上，刚弹原件组合的多体动力学模型和相应的算法以及火炮多刚体的动力学模型得到建立，并且可以通过振动特性来预测射击密度和强度等综合特性。用机构动力学理论分析分析自动机的多自由度问题，对各种新型自动机的原理和工程应用做了大量研究。用有限元的放来来对形状比较复杂的零件进行应力应变的分析，能够为结构的改进提供可靠的依据。而我国的火炮大致经过了一下几个时期的发展：仿制改进、研究提高与自主开发，这些都与研究条件和方法的不断改进提高和研究经验的积累有着密切的联系。目前，火炮的设计可以分为反后坐装置设计、炮身设计、炮架设计、自动机设计。对于炮身而言，它承担着承受发射过程中产生的高压高温的火药气体的作用。这能够使弹头获得一定的炮口初速和引导弹头运动。而弹头的飞行稳定性所需要的旋转速度可由火炮身管内的线膛提供。此外炮身还可以作为一些自动或者半自动炮的主动件。假如设计巧妙，某些自动炮或者半自动炮的主动件也可以是炮身。在发射时，炮身的技术状况直接影响着使用安全、射击效果和火炮寿命，因为对于炮身设计也有一定的要求：满足战术技术指标，能可靠工作，性能稳定，符合相关的安全规定；各个构件需要具备有相应的刚度、强度和韧性，发射时不得发生过大弹性变形，更不能发生塑性破坏或脆性破坏；使用寿命达到相关标准；制造工艺及材料选择应该根据具体国情，符合经济原则，便于做到大批量生产；在确定其质心位置及其外形尺寸时，要考虑到其他部件的设计。身管作为炮身上重要的零件，在发射时承受高压火药气体，火药威力的大小能部分决定火炮威力的大小，只有身管的性能提高了，人们才能有效地改变火炮威力，因此，身管性能的研究对于火炮的发展来说是至关重要的。而本文就是针对身管材料的改变来提高身管性能这方面来探究的。根据身管的结构不同，主要可以划分为普通单筒身管、可分解身管、增强身管（分为复合材料身管、自紧身管、丝紧身管以及筒紧身管）。普通单筒身管是由一个毛坯制成，它的制造方便、结构很简单、成本较低，因此得到了广泛的应用。但是普通单筒身管发射时，外层应力很小，内层的应力非常大，也就造成了外层材料很大的浪费。在高膛压、大威力火炮使用普通单筒身管时，必须采用高强度炮钢和增加壁厚，这对火炮的生产和使用造成了不良的影响。可分解身管是把身管做成内外两次，在内层的身管达到寿命的极限时，用一个新的内管代替原来的内管使火炮重新具备规定的战斗性能。筒紧身管时由两层或多层同心圆筒过盈，在制造筒紧身管时将外筒加热，迅速将其套在内管上，冷却后，外筒要恢复原来的尺寸，由于过盈量的存在，内筒会阻止其恢复，使外筒受拉内筒受压，在各层管壁内产生了所要求的预应力，其方向与发射时膛压对管壁产生的应力方向相反，从而使发射时内筒的实际应力减小了，在同样壁厚、同样材料的条件下身管可承受更大的压力，并提高了身管弹性强度极限，提高外筒金属的利用效率。丝紧身管是指在身管外表面缠绕多层具有一定拉应力的钢丝或者钢带的身管。自紧身管与单筒身管的不同之处在于其在制造过程中对膛内施加高压，使身管全部或从内而外发生塑性形变。随着传统的设计方法和炮钢材料的使用已经很难在减轻身管质量上有较大突破，采用新型复合材料代替传统材料用于身管设计目前取得了重大进步。较高的比刚度和比强度是复合材料最为突出的优点。美国弹道研究所所制的M68型105mm身管是由十层铝箔和四层13mm厚的玻纤增强复合材料交替排列组成，质量小且性能好。美国陆军材料与力学研究中心采用树脂基纤文增强复合材料制成了大口径加榴炮身管，经实弹射击试验，弹着点的散布仅是金属身管的1/3。美国陆军材料与力学研究中心还同时采用石墨纤文/环氧复合材料制造了75mm火炮身管的延伸部分，并进行了射击试验，成功地解决了金属身管存在的下垂过大的问题，提高了射击精度。[1]
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