計(jì)數(shù)器夾具熱仿真優(yōu)化分析與試驗(yàn)研究

薛汝東 徐勝軻 梅景放

（南京模擬技術(shù)研究所，南京 210016）

1 引 言

結(jié)合槍支彈藥安全管理的實(shí)際需求，傳統(tǒng)的方式是射擊訓(xùn)練完成后，通過收集彈殼的方式實(shí)現(xiàn)彈藥消耗的統(tǒng)計(jì)。該方法操作不便且數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，為解決這一問題，需要設(shè)計(jì)一款能夠準(zhǔn)確自動(dòng)計(jì)數(shù)的裝置，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)射擊情況。當(dāng)前，通常采用在槍管上安裝計(jì)數(shù)器的方式對射擊情況進(jìn)行自動(dòng)記錄，以此快速準(zhǔn)確地獲取實(shí)際彈藥消耗情況。為確保計(jì)數(shù)器安裝的穩(wěn)定性及牢固性，計(jì)數(shù)器多采用金屬夾具與槍管之間實(shí)現(xiàn)接觸式固定，而步槍在連續(xù)射擊過程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，并通過夾具傳導(dǎo)至計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部溫度過高，超出電器元件的溫度使用范圍，從而影響計(jì)數(shù)器電器元件的正常工作，故熱設(shè)計(jì)成為射擊計(jì)數(shù)器連續(xù)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。

2 熱傳導(dǎo)原理分析

為保證計(jì)數(shù)器穩(wěn)定可靠工作，且夾具能夠可靠穩(wěn)定地固定于槍管上，多采用接觸式固定方式；既要確保夾具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)又要兼顧計(jì)數(shù)器的重量要求，以盡可能減少對射擊效果的影響。為此，計(jì)數(shù)器腔體采用非金屬材料，夾具采用蜂窩式結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)，以最大程度地減小整體重量，具體的安裝示意圖如圖1所示。經(jīng)實(shí)際測試，槍管在連續(xù)射擊過程中的溫度可達(dá)260℃，為確保計(jì)數(shù)器在260℃溫度及實(shí)彈射擊的沖擊下保持較好的強(qiáng)度及較小的形變，夾具采用金屬材料。

圖1 計(jì)數(shù)器安裝示意圖

溫度不同的同一物體的各部分之間，以及溫度不同的兩物體直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞稱為熱傳導(dǎo)。傳熱是物體的固有本質(zhì)（只要存在溫差），其依靠微觀粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，物體各部分不發(fā)生宏觀的位移[1—4]。根據(jù)熱傳導(dǎo)定律（傅里葉定律），熱能量與材料的導(dǎo)熱系數(shù)、物體導(dǎo)熱面積等因素直接相關(guān)。材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大、導(dǎo)熱面積越大，物體的導(dǎo)熱性能越好。實(shí)際使用過程中，槍管的溫度通過接觸式夾具以熱傳導(dǎo)方式傳遞給計(jì)數(shù)器腔體，當(dāng)計(jì)數(shù)器夾具的樣式確定后，夾具材料導(dǎo)熱系數(shù)的選定直接決定了夾具的導(dǎo)熱性能。

不同金屬及合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)差距較大，約為10~500W/(m·℃)，其基本呈截?cái)嗾龖B(tài)分布狀態(tài)，其概率密度函數(shù)為：

式中，Φ（·）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累積分布函數(shù)。

φ（·）是均值為0，方差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布：

本文對常用金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)概率分布進(jìn)行仿真分析，取a=10，b=500，u=200，σ=100，共生成 200 個(gè)樣本，該200個(gè)樣本的導(dǎo)熱系數(shù)概率分布如圖2所示。

圖2 常用金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)分布

3 計(jì)數(shù)器熱仿真優(yōu)化分析

槍管溫度經(jīng)過計(jì)數(shù)器夾具傳遞至計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部，經(jīng)過一段時(shí)間熱傳導(dǎo)后，計(jì)數(shù)器形成熱穩(wěn)態(tài)，熱穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布直接影響計(jì)數(shù)器電器元件的正常工作。計(jì)數(shù)器夾具采用不同的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)不同，對應(yīng)的計(jì)數(shù)器內(nèi)部熱穩(wěn)態(tài)的溫度也不相同[5—7]，為此，本文對計(jì)數(shù)器夾具熱穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布情況進(jìn)行了仿真分析。

通過三維設(shè)計(jì)軟件對計(jì)數(shù)器進(jìn)行三維建模，并將計(jì)數(shù)器的基本模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行仿真分析，其中，設(shè)定槍管溫度恒定為260℃，夾具外表面空氣對流系數(shù)取10W/(m2·℃)，夾具內(nèi)部的空氣對流系數(shù)取2W/(m2·℃)，計(jì)數(shù)器電器元件功率為0.225W，取不同的導(dǎo)熱系數(shù)對計(jì)數(shù)器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。圖3是一種典型的金屬材料鋁（牌號6061）作為夾具材料時(shí)計(jì)數(shù)器穩(wěn)態(tài)溫度分布情況。

圖3 夾具為鋁（牌號6061）時(shí)的溫度分布

從圖3中可以看出，計(jì)數(shù)器穩(wěn)態(tài)熱分布的基本情況，槍管處溫度最高，其次是夾具與槍管夾持處溫度較高，隨著距離槍管的距離增加，溫度逐漸降低，整個(gè)計(jì)數(shù)器形成熱穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時(shí)計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部溫度最低為135.7℃。進(jìn)一步根據(jù)圖2中分析得到的200個(gè)金屬材料樣本點(diǎn)，取不同的導(dǎo)熱系數(shù)分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，并分別記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)的計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部溫度，將分析得到的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度隨夾具導(dǎo)熱系數(shù)的變化分布圖，如圖4所示。

圖4 計(jì)數(shù)器腔體溫度隨導(dǎo)熱系數(shù)變化分布圖

由圖4可以看出，隨著夾具材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加，其計(jì)數(shù)器內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度也逐漸升高，且升高速度隨導(dǎo)熱系數(shù)的增加逐漸減緩。本文設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器所選取的電子元器件的最大耐熱溫度為80℃，由圖4可以得出：為確保計(jì)數(shù)器正常工作，其夾具材料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)滿足λ≤36W/(m·℃)。

2種常用金屬材料（牌號0Cr18Ni9的不銹鋼和牌號6061的鋁）的導(dǎo)熱系數(shù)分別為15.1W/(m·℃)和167W/(m·℃)，分析結(jié)果顯示：這2種金屬材料對應(yīng)的計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度分別為48.5℃和135.7℃。結(jié)合上述仿真分析結(jié)果可以看出，選用牌號0Cr18Ni9的不銹鋼作為夾具材料時(shí)能夠保證計(jì)數(shù)器電器元件正常工作。

4 計(jì)數(shù)器熱傳遞試驗(yàn)

為對上述分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，本文對計(jì)數(shù)器的熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。分別采用牌號0Cr18Ni9的不銹鋼和牌號6061的鋁材作為計(jì)數(shù)器夾具制作計(jì)數(shù)器測試樣品。將制作好的計(jì)數(shù)器測試樣品安裝固定在模擬槍管上。通過加熱裝置對模擬槍管進(jìn)行持續(xù)加熱，同時(shí)采用數(shù)字溫度計(jì)實(shí)時(shí)記錄槍管的溫度變化情況，將模擬槍管溫度加熱至260℃，并維持此溫度；在計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部放置溫度傳感器，實(shí)時(shí)測量并記錄計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部的溫度變化情況。

圖5、圖6分別是采用0Cr18Ni9不銹鋼和6061的鋁材質(zhì)夾具時(shí)模擬槍管與計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部的溫度變化曲線。從圖5可以看出，采用不銹鋼材質(zhì)的夾具時(shí)，槍管從室溫16℃上升至260℃用時(shí)不到3min，此時(shí)計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部溫度為21.4℃；隨后，在槍管溫度持續(xù)穩(wěn)定在260℃左右的過程中，計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部溫度繼續(xù)呈上升趨勢，在經(jīng)過51min時(shí)達(dá)到極值50.8℃，之后一直穩(wěn)定在50.8℃，達(dá)到溫度平衡；在60min后停止加熱。從圖6可以看出，采用6061鋁材質(zhì)的夾具時(shí)，槍管溫度從室溫16℃上升至260℃用時(shí)不到3min，此時(shí)計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部溫度為29.5℃；在槍管溫度持續(xù)穩(wěn)定在260℃左右的過程中，計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部溫度同樣繼續(xù)呈上升趨勢，在經(jīng)過33min時(shí)達(dá)到極值127℃，之后一直穩(wěn)定在127℃，達(dá)到溫度平衡；在60min后停止加熱。

圖5 采用0Cr18Ni9不銹鋼夾具時(shí)的溫度變化曲線

圖6 采用6061鋁夾具時(shí)的溫度變化曲線

為更好地將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對比，分別對采用0Cr18Ni9不銹鋼和6061的鋁材質(zhì)夾具的計(jì)數(shù)器穩(wěn)態(tài)熱仿真分析數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將仿真過程中各時(shí)間點(diǎn)的溫度情況進(jìn)行記錄并擬合，得到瞬態(tài)熱分析曲線，同時(shí)結(jié)合圖5、圖6中采用上述2種材料作為夾具時(shí)的實(shí)際溫度分布曲線進(jìn)行擬合對比，其結(jié)果如圖7和圖8所示?？梢钥闯?仿真分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果得到的溫度變化趨勢基本相同。從仿真分析結(jié)果可知，采用不銹鋼夾具時(shí)計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度為48.5℃，而采用6061鋁夾具時(shí)計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度為135.7℃；而實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果顯示，采用不銹鋼夾具時(shí)計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部溫度達(dá)到平衡時(shí)為50.8℃，而采用6061鋁夾具時(shí)計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)部溫度平衡時(shí)溫度為127℃?？梢钥闯?，仿真分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)基本吻合，仿真分析結(jié)果的合理性及準(zhǔn)確性得到了較好的驗(yàn)證。

圖7 采用0Cr18Ni9不銹鋼夾具時(shí)的瞬態(tài)熱分析曲線

圖8 采用6061鋁的夾具瞬態(tài)熱分析曲線

5 結(jié) 論

針對計(jì)數(shù)器夾具的熱特性，本文首先分析了夾具導(dǎo)熱系數(shù)對于計(jì)數(shù)器內(nèi)部的電器元件溫度影響較大，在夾具面積一定情況下，通過擬合一般材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)的分布情況，進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，得到滿足計(jì)數(shù)器內(nèi)部電器元件正常工作溫度條件下的夾具的熱傳導(dǎo)系數(shù)為λ≤36W/(m·℃)。同時(shí)，本文基于2種常用的金屬材料0Cr18Ni9不銹鋼及6061鋁材，對計(jì)數(shù)器夾具的穩(wěn)態(tài)熱特性進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果顯示：采用0Cr18Ni9不銹鋼材質(zhì)作為夾具時(shí)，計(jì)數(shù)器內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度能夠滿足電器元件溫度要求。此外，進(jìn)一步分別使用0Cr18Ni9不銹鋼及6061鋁材制作了2種夾具，并對計(jì)數(shù)器的熱特性開展了實(shí)際試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本一致，仿真分析結(jié)果的合理性及準(zhǔn)確性得到了較好的驗(yàn)證。