熱沖擊下火炮身管材料徑向溫度演變分析

尹 鑫,趙風偉,于陸然，唐月陽，潘夢菲，于航鑒

熱沖擊下火炮身管材料徑向溫度演變分析

*尹 鑫1,趙風偉2,于陸然1，唐月陽1，潘夢菲1，于航鑒1

（1.沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧，沈陽 110159；2.齊齊哈爾工程學院機電工程系，黑龍江，齊齊哈爾 161000）

交變高溫沖擊條件下身管材料的徑向溫度變化過程直接影響到武器系統(tǒng)的性能發(fā)揮。以片狀身管材料為研究對象，選取合適變量，采用高溫熱源循環(huán)加熱的實驗方法，通過熱成像設(shè)備觀測火炮身管材料徑向溫度的演變過程，輔以有限元溫度場仿真對比驗證實驗結(jié)果，從而得出不同射速和不同環(huán)境溫度及風速影響下身管溫度場的分布規(guī)律，為分析和預測火炮身管壽命，正向設(shè)計身管提供參考。

金屬學及金屬工藝；身管溫度場；有限元分析；加熱實驗

0 引言

隨著各式火炮的不斷發(fā)展，提高其威力、精度及身管的使用壽命等技術(shù)指標已成為大口徑身管武器發(fā)揮更好戰(zhàn)術(shù)性能的必然要求，火炮射擊時在發(fā)射裝藥的燃燒下膛內(nèi)生成大量火藥燃氣，使內(nèi)膛表面的溫度和壓力在瞬間急劇上升[1]。在膛內(nèi)運動時期高壓火藥燃氣推動彈丸向前運動直至通過坡膛以后，彈帶隨之擠進膛線起始部，在彈帶與膛線接觸處溫度驟然上升，在強迫對流的作用下，熱量由高溫高壓火藥燃氣向內(nèi)膛表面?zhèn)鬟f，使膛壁溫度進一步上升，持續(xù)的高溫作用使壁面各種化學反應(yīng)加快的同時也降低了炮鋼金屬的機械強度[2-3]。大量傳熱學計算以及熱電偶實驗測量的結(jié)果已經(jīng)表明，發(fā)射過程中在身管內(nèi)壁處幾十微米厚度的范圍內(nèi)，金屬材料經(jīng)歷了劇烈的溫度變化過程[4]。在加農(nóng)炮或速射炮一類對身管初速及射速等性能要求嚴格的身管中，發(fā)射時產(chǎn)生的高溫甚至可能引起部分內(nèi)壁表面的熔化，最終導致身管口徑的增大，內(nèi)膛的部分磨損與融化以至于射擊精度降低造成身管壽命的終止[5-6]。因此，為了能滿足火炮裝備發(fā)展需要，研究火炮射速和區(qū)域環(huán)境溫度對身管溫度場的影響是十分必要的。

火炮發(fā)射過程中身管內(nèi)壁表面的溫度變化是身管燒蝕機理中最重要的影響因素，但由于火炮實際發(fā)射工況極其復雜，瞬態(tài)溫度又難以精確測量。為了得到更加切合實際的溫度場分布情況，以炮鋼基體為實驗對象，采用高溫熱源循環(huán)加熱的方式模擬火炮發(fā)射過程，輔以有限元分析做對比例證。

1 高溫熱源循環(huán)加熱實驗

1.1 實驗材料

實驗材料為PCrNi3MoVA，是一種經(jīng)過調(diào)制處理的中碳低合金鋼，被廣泛用作制作火炮身管，其化學成分如表1：

表1 炮鋼的化學成分

Table 1 Chemical composition of gun steel

元素CMnSiCrNiMoVSPFe wt%0.400.410.251.283.140.370.200.0010.012余量

實驗所用炮鋼基體試片已經(jīng)過淬火、回火以及調(diào)制等一系列預處理，試片尺寸為10 mm×20 mm×5 mm如圖1所示。

圖1 炮鋼基體試片

1.2 實驗步驟

針對身管材料(PCrNi3MoVA)，采用高溫熱源循環(huán)加熱的實驗方法，通過Fluke Tix580型熱成像設(shè)備觀測火炮身管材料徑向溫度的演變過程，輔以有限元溫度場仿真對比驗證實驗結(jié)果。對于實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)的處理，選用Fluke Tix580熱成像儀配套的SmartView熱力學分析軟件來完成。具體實驗步驟可表述為：

1）將試片材料正置于夾具上夾緊，露出約三分之二的高度便于用噴槍加熱，如圖2、圖3所示。

圖2 試片固定示意圖

圖3 試件加熱過程圖

2）將熱成像儀放于三腳架上固定好，鏡頭向下正對夾具上的試片，并完成熱成像儀與電腦的連接如圖4、圖5所示。

圖4 電腦操作界面

圖5 熱成像儀界面

3）實驗過程中選用秒表進行計時，在開始實驗之前先在秒表上設(shè)置好相應(yīng)的時間步長及間隔時間。

4）先打開火焰噴槍，調(diào)至中火，然后再開始計時，加熱時注意應(yīng)盡量將火焰垂直于試片表面進行加熱，并使每次加熱時噴槍槍口到試片表面的距離相等。

5）計時結(jié)束，關(guān)閉火焰并保存好實驗視頻。

1.3 結(jié)果處理

對于實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)的處理，選用FlukeTix580熱成像儀配套的SmartView熱力學分析軟件來完成，在處理實驗數(shù)據(jù)時選擇1 s作為時間步長來記錄標記點的溫度變化情況。先在視頻中找到火焰移動到試片表面上的分界點，即標記點從環(huán)境溫度收到加熱開始升溫的瞬間，每隔1 s取一次溫度，記錄下所有時間點的溫度數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 實驗視頻編輯界面

2 Icepak仿真模型的建立

2.1 有限元模型

實驗所用材料為10 mm×5 mm×20 mm的PCrNi3MoVA高強度炮鋼長方體試片，仿真分析采用Icepak軟件以非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式共將模型劃分為80000個單元，有限元模型如圖7所示。

圖7 炮鋼試片有限元模型

2.2 熱源設(shè)置

在本實驗中，利用高溫火焰噴槍對試片進行單面循環(huán)加熱，一般發(fā)射藥的爆溫在2200℃，其中10％～20％的熱能被膛壁吸收。根據(jù)這一實際情況確定實驗溫度為300℃，實驗用噴槍為丁烷卡式電打火噴槍，火焰溫度可達300℃，建模中也對模型進行單面熱源加載，設(shè)置溫度為300℃。測量溫度的方式為將熱成像儀屏幕中央的十字光標對準金屬試片上表面的中心點進行測溫，測取的溫度為試片表面的溫度，所以在仿真中將溫度監(jiān)測點設(shè)置在試片模型上同一位置。

2.3 導熱微分方程

1）基本假設(shè)

從火炮身管內(nèi)取出任意一個平行六面體微元做此微元的能量守恒分析，假設(shè)導熱介質(zhì)的熱物理性質(zhì)為關(guān)于溫度的函數(shù)。

2）控制方程

三維非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程：

2.4 初始條件

對傳熱過程在時間變化上的特點加以說明。對于火炮射擊這樣的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，設(shè)定火炮身管在發(fā)射前的的溫度與環(huán)境溫度相等，即

2.5 邊界條件

邊界條件，是指在求解區(qū)域邊界上所求解的變量或其導數(shù)隨時間和地點的變化規(guī)律。邊界條件是控制方程有確定解的前提，對于任何問題，都需要給定邊界條件。常見的邊界條件分為以下三種：

第一類邊界條件是指在任一時刻下，物體邊界面上的溫度值為已知，即：

第二類邊界條件是指在任一時刻下，物體邊界面上的熱流密度值為已知。即：

或

對于火炮射擊這樣的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，設(shè)定火炮身管在發(fā)射前的的溫度與環(huán)境溫度相等，即

3 實驗與仿真結(jié)果分析

以環(huán)境溫度、射速、風速三種變量分別進行實驗及有限元仿真分析。其中環(huán)境溫度采用-20℃、20℃、50℃三種溫度值進行研究；射速采用60 r/min、30 r/min、20 r/min三種數(shù)值進行研究；風速采用有風及無風兩種條件進行研究。實驗器材采用火焰噴槍及熱成像儀，有限元仿真部分在Ansys Icepak模塊下進行。

3.1 環(huán)境溫度對身管溫度場的影響

為研究環(huán)境溫度對火炮身管溫度場的影響，使用火焰噴槍對試片10 s加熱，加熱結(jié)束后置于空氣中冷卻10 s，實驗時間總長共20 s。實驗條件為室溫，無風。并在有限元仿真中同樣模擬出三種不同環(huán)境溫度分別對試片模型進行計算，記錄監(jiān)測點溫度變化數(shù)據(jù)并與實驗結(jié)果進行對比分析。將仿真與實驗結(jié)果曲線進行對比，如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 常溫環(huán)境下實驗與仿真溫度曲線的對比

圖9 低溫環(huán)境下實驗與仿真溫度曲線的對比

圖10 高溫環(huán)境下實驗與仿真溫度曲線的對比

經(jīng)過對比分析可得：

1）在升溫過程中實驗曲線呈兩段式上升：第一段為0-2 s內(nèi)，三種環(huán)境溫度下試片溫度迅速上升至230～270 ℃附近，第二段從2-10 s內(nèi)緩慢上升至三種環(huán)境溫度下各自對應(yīng)的最大溫度；而在仿真條件中三種環(huán)境溫度下的溫度曲線則為均勻上升。

2）實驗與仿真中試片的最大溫度存在一定差異，可能原因有兩點：一是兩種條件下的試片材料比熱容不一致；二是熱源溫度的偏差，因為實驗中難以將火焰噴槍全程保持最大溫度進行加熱。

3）在冷卻階段實驗溫度曲線同樣出現(xiàn)驟減情況，之后下降又趨于平緩，以此推測是因為加熱時火焰越過了加熱面阻隔在熱成像儀與試片之間，導致熱成像儀的測量溫度實為火焰的溫度，因此開啟或關(guān)閉噴槍時測溫受到較大影響。

從實驗和有限元仿真兩個方面研究了環(huán)境溫度對火炮身管溫度場的影響。在不計實驗誤差的情況下，實驗與仿真的溫度曲線大概趨勢與主要特點基本吻合。結(jié)合實驗與仿真結(jié)果，最終發(fā)現(xiàn)火炮身管溫度隨環(huán)境溫度的升高而升高。但就身管溫度變化的規(guī)律而言，環(huán)境溫度的影響效應(yīng)并不大。由于實驗條件的限制，只能采用長時間加熱得到的累加溫度來代替火炮發(fā)射的瞬時溫度，而在實際火炮發(fā)射工況中，身管材料往往在幾十毫秒內(nèi)就可以達到膛壁溫度的最大值，所以無論是在實驗還是在仿真情況下，升溫過程中實驗與仿真的偏差都可忽略不計[8]。在仿真的理想條件中，環(huán)境溫度越低，身管的冷卻速度越快；而在多種因素耦合作用下，實驗中環(huán)境溫度的改變對試片冷卻速度的影響是微乎其微[9-11]。

由以上分析可知在一定范圍內(nèi)，環(huán)境溫度正比于身管溫度。對于身管設(shè)計來說，考慮到我國氣候多樣，南北地區(qū)溫差大的地理環(huán)境，應(yīng)選用耐熱和耐寒性能優(yōu)越的身管材料，要保證身管可以在一定溫度跨度內(nèi)都可以正常工作而不發(fā)生形變和燒蝕。

3.2 射速對身管溫度場的影響

為研究射速對火炮身管溫度場的影響，使用火焰噴槍對試片10 s加熱，加熱結(jié)束后置于空氣中冷卻1s/2s/3s，之后再加熱10 s，進行5輪，實驗時間總長共55s/60s/65s。實驗條件為室溫，無風。并在仿真中設(shè)置同樣的加熱及間隔時間，記錄監(jiān)測點溫度變化數(shù)據(jù)并與實驗結(jié)果進行對比分析。將仿真與實驗結(jié)果曲線進行對比，如圖11、圖12、圖13。

圖11 60發(fā)/分射速條件下實驗與仿真溫度曲線的對比

圖12 30發(fā)/分射速條件下實驗與仿真溫度曲線的

圖13 20發(fā)/分射速條件下實驗與仿真溫度曲線的對比

經(jīng)過對比分析可得：

1）在60發(fā)/分射速條件下，就每一輪加熱時溫度上升的速率而言，實驗與仿真結(jié)果相差不大。而在每輪1s的冷卻時間內(nèi)，實驗中試片溫度的下降速度明顯快于仿真，進而導致之后在實驗中每一輪加熱結(jié)束后的最大溫度都低于仿真。

2）與實驗不同的是，在仿真溫度曲線中試片溫度在最后兩輪加熱中達到了極值，每一輪加熱的最大溫度開始上升的極為緩慢。而在實驗中，進行最后兩輪加熱時試片的溫度極值仍以某一幅度繼續(xù)上升。此處可能的原因有二：一是實驗中的熱源溫度高于仿真時的熱源溫度導致仿真計算時溫度過早達到極限；二是實驗所用試片的比熱容與標準數(shù)值相比存在一定差距。

從火炮本身的性能方面研究了發(fā)射過程中的身管溫度場變化規(guī)律，在實驗及仿真中以射速為變量繪制了試片溫度變化的曲線圖。經(jīng)過對圖像特點的整合與分析，發(fā)現(xiàn)無論是在實驗還是仿真中，試片溫度都在兩輪加熱后穩(wěn)定下來緩慢上升，那么這就說明實際情況下，在火炮連續(xù)發(fā)射時，身管在前兩次發(fā)射中的溫度響應(yīng)效率最快，而后身管溫度隨每一次發(fā)射緩慢上升。

3.3 風速對身管溫度場的影響

為研究風速對火炮身管溫度場的影響，在實驗中使用電風扇模擬自然風在加熱及冷卻過程中對試片進行吹拂，加熱時間設(shè)置為10 s，冷卻時間設(shè)置為10 s，共進行一輪，實驗時間總長20 s，實驗條件為室溫。在仿真計算中，需要在計算空間內(nèi)按照實驗中的真實距離添加風機并設(shè)置好風速等屬性參數(shù)，分別進行有風及無風環(huán)境的計算，記錄監(jiān)測點溫度變化數(shù)據(jù)并與實驗結(jié)果進行對比分析。

將仿真與實驗結(jié)果曲線進行對比，如圖14、圖15所示。

圖14 無風條件下實驗與仿真溫度曲線的對比

圖15 有風條件下實驗與仿真溫度曲線的對比

經(jīng)過對比分析可得：

1）實驗曲線中的溫度驟升與驟減現(xiàn)象依然可歸結(jié)為火焰阻隔因素。

2）無論是有風還是無風環(huán)境條件，仿真與實驗中冷卻過程結(jié)束后的最低溫度出現(xiàn)了較大差異，可能是因為環(huán)境溫度不相統(tǒng)一影響了試片的冷卻速度。

分析了風速對身管受熱及冷卻時溫度場的影響，經(jīng)過對實驗與仿真結(jié)果的分析與對比，發(fā)現(xiàn)風速不僅會影響身管的冷卻速度，而且與膛壁溫度成正比關(guān)系，即風速越快，身管所在發(fā)射時所能達到的膛壁最大溫度越低。雖然在仿真中風速對加熱階段同樣產(chǎn)生了較為明顯的影響，但考慮到實際工況中膛壁受熱時間極短，所以風速對身管升溫過程的影響可以忽略不計，對于身管的設(shè)計過程來說，應(yīng)盡量減小風速的影響，才能得出身管在極端情況下的真實性能指標[12-13]。

4 結(jié)論

以片狀身管材料為研究對象，從環(huán)境溫度、射速以及風速三個方面研究了火炮身管溫度場在發(fā)射過程中的變化規(guī)律，采用高溫熱源循環(huán)加熱的實驗方法，通過熱成像數(shù)據(jù)分析火炮身管材料徑向溫度的演變過程，輔以有限元溫度場仿真對比驗證實驗結(jié)果。經(jīng)過一系列分析與研究，得出如下結(jié)論：

1）火炮發(fā)射時的膛壁溫度隨環(huán)境溫度的上升而上升，但環(huán)境溫度對身管的升溫及冷卻速率幾乎沒有影響，環(huán)境溫度也不會改變身管溫度的變化規(guī)律。

2）在不同射速條件下，火炮身管在前兩發(fā)射擊時的溫度響應(yīng)頻率極快，且每一輪發(fā)射過后的溫度呈循環(huán)上升態(tài)勢。

3）風速大小與膛壁表面最大溫度成正比，且風速越大，發(fā)射過后的身管冷卻速率越快，但是風速的大小對于身管的升溫過程沒有顯著影響。

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ANALYSIS OF RADIAL TEMPERATURE EVOLUTION OF GUN BARREL MATERIAL UNDER THERMAL SHOCK

*YIN Xin1, ZHAO Feng-wei2, YU Lu-ran1, TANG Yue-yang1, PAN Meng-fei·, YU Hang-Jian1

（1. School of Equipment Engineering, Shenyang University of Science and Technology, Shenyang, Liaoning 110159 China; 2. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Qiqihar Institute of Engineering, Qiqihaer, Heilongjiang 161000, China）

The radial temperature variation of gun barrel material directly affects the performance of weapon system under alternating high temperature impact. Taking the sheet material of gun barrel as the research object, selecting the appropriate variable, the radial temperature evolution process of gun barrel material was observed through thermal imaging equipment by the experimental method of high temperature heat source cycle heating, and the experimental results were verified by comparing the finite element temperature field simulation. The distribution law of temperature field of lower gun barrel affected by different rate of fire and different ambient temperature and wind speed was obtained, which could provide reference for analyzing and predicting the life of gun barrel and forward design of gun barrel.

metallology and metal processing; barrel temperature field; finite element analysis; heating experiment

1674-8085（2022）01-0086-07

TP242.2

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2022.01.014

2021-08-07；

2021-09-25

遼寧省教育廳高等學?；究蒲许椖?LJKZ0273)

*尹 鑫(1997-)，男，遼寧營口人，碩士生，主要從事兵器新材料及新工藝研究(E-mail:1205533960@qq.com).