復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)襯身管的減重設(shè)計(jì)

　　摘要：連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為比強(qiáng)度較高的新型材料，在軍事領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。火炮作為陸軍的重要武器裝備，存在質(zhì)量較大的不足。本文基于最小質(zhì)量原則，提出了一種復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)襯身管的減重設(shè)計(jì)方案。通過(guò)計(jì)算連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的厚度和纏繞角度，并采用分段式設(shè)計(jì)，使復(fù)合材料的整體性能滿足身管的設(shè)計(jì)要求同時(shí)，質(zhì)量最小，從而達(dá)到減少火炮身管質(zhì)量的目的。最后使用有限元法，驗(yàn)證了基于本文提出的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的130mm口徑50倍徑火炮的力學(xué)性能。仿真結(jié)果表明，基于本方案設(shè)計(jì)的身管滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可以降低身管質(zhì)量，提高火炮機(jī)動(dòng)性。

　　關(guān)鍵詞：復(fù)合材料身管;纏繞角度;有限元;減重設(shè)計(jì)

　　身管是炮身的主體，是火炮的核心部件，作為賦予彈丸初速度和確定彈丸飛行方向的重要結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部需要承受火藥等燃燒時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力，因此傳統(tǒng)身管的厚度較大，但由于所使用的材料比強(qiáng)度較小，導(dǎo)致火炮質(zhì)量較大，不利于火炮的機(jī)動(dòng)性。

　　隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，在保證火炮身管強(qiáng)度等安全條件的前提下，進(jìn)一步減少炮身的質(zhì)量，是火炮身管的重要發(fā)展趨勢(shì)。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性，其在承壓容器上已被廣泛應(yīng)用。身管在彈丸發(fā)射的過(guò)程中需要承受時(shí)變和作用位置變化的火藥燃?xì)鈮毫ΑＷ鳛槌惺茏儔毫Φ娜萜鳎�身管可以采用類似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到進(jìn)一步減少質(zhì)量的目的，從而提高火炮的機(jī)動(dòng)性，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展。

　　復(fù)合材料的耐燒蝕性能、耐磨性能較差，可以通過(guò)添加金屬或陶瓷內(nèi)襯來(lái)完成設(shè)計(jì)。國(guó)外研究人員在復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)襯身管領(lǐng)域的發(fā)展較早[13]：美國(guó)洛克希德公司采用復(fù)合材料技術(shù)研制了多款迫擊炮，較鋼制炮身，火炮整體質(zhì)量降低62%;美國(guó)研發(fā)的“紅眼”系列導(dǎo)彈采用了玻璃纖維復(fù)合材料發(fā)射筒，極大地減小了質(zhì)量;英國(guó)“勞80”發(fā)射筒使用凱夫拉纖維等。

　　國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)和人員也對(duì)此進(jìn)行了研究：徐亞棟[4]通過(guò)研究復(fù)合材料的力學(xué)性能，建立了復(fù)合材料身管的力學(xué)性能特征;陳龍淼等[5]研究了金屬內(nèi)襯厚度對(duì)復(fù)合材料纏繞身管的熱影響;劉暢等[6]通過(guò)建立有限元模型，研究了復(fù)合材料層與身管黏結(jié)失效的問(wèn)題;譚繼宇等[7]以無(wú)后坐力炮為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了復(fù)合材料纏繞的新炮身。筆者基于最小質(zhì)量原則，提出了新的復(fù)合材料纏繞內(nèi)襯身管的設(shè)計(jì)方案，并以前蘇聯(lián)130mm口徑50倍徑B13艦炮身管為研究對(duì)象，對(duì)比了新的設(shè)計(jì)方案與舊有結(jié)構(gòu)。

　　1身管設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

　　1.1內(nèi)襯設(shè)計(jì)

　　連續(xù)復(fù)合材料纏繞內(nèi)襯身管中，金屬內(nèi)襯與彈丸和裝藥及其燃燒氣體直接接觸，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮其耐燒蝕性能和耐磨性能。在設(shè)計(jì)時(shí)需要確定內(nèi)襯的厚度，其可通過(guò)內(nèi)襯所使用的材料和預(yù)期其所承受的壓力來(lái)確定。對(duì)于內(nèi)襯，其軸向受力遠(yuǎn)小于徑向受力，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，為保證內(nèi)襯材料的強(qiáng)度和剛度，可以只考慮徑向壓力。文獻(xiàn)[8]提出絲緊身管內(nèi)襯厚度為身管口徑的0.25倍。相較于絲緊身管的鋼絲，復(fù)合材料具有更大的剛度和強(qiáng)度，因此可以適當(dāng)減小金屬內(nèi)襯的厚度。

　　1.2連續(xù)纖維復(fù)合材料層的設(shè)計(jì)

　　由火炮身管的受力分析可知，身管在軸向和徑向這兩個(gè)垂直的方向上受力并不相同，因此，通過(guò)設(shè)計(jì)連續(xù)纖維的鋪層角度和鋪層順序達(dá)到身管在徑向和軸向上的受力要求，可以極大地降低身管的總體質(zhì)量。根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，火炮在徑向主要受到裝藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體對(duì)身管壁的壓力。由內(nèi)彈道變化規(guī)律可知，發(fā)射時(shí)身管任一截面的最大壓力是該截面位置的函數(shù)。

　　火炮在軸向主要受到高壓氣體作用在身管底部的壓力，以及彈丸在身管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)與膛線產(chǎn)生的擠壓和摩擦的軸向力。火藥燃燒的高壓氣體作用在身管底部的壓力與該氣體作用在彈丸底部驅(qū)使彈丸與身管內(nèi)膛線擠壓摩擦的軸向分力的差值，是身管在發(fā)射時(shí)產(chǎn)生向后運(yùn)動(dòng)的原因。對(duì)于復(fù)合材料外殼的設(shè)計(jì)而言，軸向受力分析需忽略該運(yùn)動(dòng)，則其軸向應(yīng)力由彈丸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，從文獻(xiàn)[8]可知，彈丸對(duì)身管的軸向力是任一截面位置的函數(shù)。

　　根據(jù)前文分析，為滿足身管在軸向和徑向上的強(qiáng)度要求，外層復(fù)合材料的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足復(fù)合材料縱向和橫向的強(qiáng)度比與身管周向和軸向的受力比相同，則該值也為任一截面的函數(shù)。相較于火炮的金屬內(nèi)襯的外徑，外層復(fù)合纖維的厚度較小，故采用薄殼理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。為防止因各段復(fù)合材料的交接處因厚度突變產(chǎn)的材料失效，同一層的環(huán)狀纏繞層應(yīng)貫穿所有復(fù)合材料段。為避免復(fù)合材料與后座復(fù)進(jìn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生摩擦，炮身后段采用全金屬炮身。

　　2建模與仿真

　　在身管尾端添加固定約束，模擬炮尾對(duì)其的約束。在身管內(nèi)部添加高低溫壓力設(shè)計(jì)曲線對(duì)應(yīng)位置的壓力，根據(jù)分析，身管在作用壓力的階段，最大徑向位移不超過(guò)0.33mm，滿足剛度的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)金屬內(nèi)襯所受最大應(yīng)力不超過(guò)925MPa，滿足金屬內(nèi)襯強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。在身管內(nèi)襯與復(fù)合材料的軸向交接處，金屬內(nèi)襯存在臺(tái)階突變，為防止此處因應(yīng)力集中產(chǎn)生失效，對(duì)該處網(wǎng)格加密后分析。

　　由此可以看出，在該處的最大應(yīng)力不超過(guò)600MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。復(fù)合材料外殼的強(qiáng)度分析采用最大應(yīng)力，最大應(yīng)變，蔡-吳準(zhǔn)則進(jìn)行分析。即與金屬內(nèi)襯接觸層。根據(jù)失效分析結(jié)果可知，失效分析結(jié)果最大值不超過(guò)0.4，滿足復(fù)合材料強(qiáng)度等的設(shè)計(jì)要求。采用復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)襯的設(shè)計(jì)方案，130mm口徑50倍口徑的身管質(zhì)量為900.81kg，相較于采用全金屬身管的70kg，降低了約34.2，可以極大降低整炮質(zhì)量，提高火炮的機(jī)動(dòng)性。

　　3結(jié)論

　　本文基于最小質(zhì)量原則，根據(jù)復(fù)合材料纏繞技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，提出了復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)襯身管的設(shè)計(jì)方案，主要計(jì)算了復(fù)合材料纏繞層的厚度和纏繞角，并通過(guò)建模和有限元分析的方法，驗(yàn)證了采用該方案設(shè)計(jì)的130mm口徑50倍身管設(shè)計(jì)的可行性。

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　　作者：郭靖宇1，呂佳鎂2，郭保全3，KhazievAlexey1，李必天1，潘玉田3

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