论文题目: 复合材料身管热学性能研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 火炮,自动武器与弹药工程
作者: 陈龙淼
导师: 钱林方
关键词: 复合材料身管,内弹道,强度校核,数值分析,热传导,烧蚀寿命
文献来源: 南京理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 身管是火炮的关键部件，在火炮发射过程中，高温、高压的火药燃气在身管内成脉冲式高速流动，使身管受到急剧的加热，引起身管壁内的温度急剧变化，而对于带金属内衬复合材料身管，由于复合材料导热性能较差，更容易引起非均匀温度分布以及较大的温度梯度，产生不合适的变形，也会使身管的金属内衬的工作温度升高，从而使得身管的寿命降低，同时身管的发热会引起其刚度的变化，增大射弹散布。这些成为了复合材料应用在火炮身管中的瓶颈问题。 本文旨在对复合材料身管热学性能进行较为详细的分析和研究。从各向异性复合材料热传导理论出发，建立复合材料身管传热分析基本模型，分析讨论影响带金属内衬复合材料身管热学性能的主要因素，采用有限元方法对复合材料身管进行二维热弹性分析，为复合材料在火炮身管上的应用提供可靠的理论依据。 本文的研究内容及结论主要体现在以下几个方面： 1、采用了一维内弹道模型，把弹后空间的核心流部分考虑为包含气流与身管管壁发生摩擦和热交换的不稳定准一维流，边界层考虑为不稳定、非定常可压缩流，用MacCormack有限差分方法求解，编制程序进行计算，较为准确的得到了复合材料身管固壁瞬态温度场分析内边界条件所需的气流温度和对流换热系数结果。 2、论文以某中口径火炮复合材料身管为设计对象，运用显式的有限差分法建立武器发射时身管瞬态传热模型，并结合多种复合材料身管的热设计方案，编制通用软件，对复合材料身管固壁一维径向温度场进行了数值分析，全面详细讨论影响其热性能的主要因素，并基于复合材料身管为线弹性的前提下，分析了复合材料身管受膛压，高温固化应力和热应力作用下的受力状况，给出了线弹性解析解，完成了复合材料身管综合设计的一个重要部分。 3、对经过综合优化设计后加工的带金属内衬复合材料身管的二维轴对称瞬态温度场和应力场采用有限元数值方法进行了分析，对复合材料身管的热设计方案分析进行验证并对考虑热冲击时复合材料身管的强度进行了校核，结果表明加工的复合材料身管是满足强度要求的，这为实验的可行性提供了理论计算依据。 4、提出了根据数值计算得到的火炮连发时复合材料身管膛壁的峰值温度，来估算身管由于热原因引起身管的烧蚀量，进而预测复合材料身管的寿命。并详细对比分析了多个带金属内衬全复合身管方案寿命，讨论了影响复合材料身管烧蚀寿命的主要因素。 5、论文提出采用添加导热粉末来提高复合材料导热系数并推导了在复合材料树脂基体中添加导热粉末后的材料性能参数模型，分析添加导热粉末后给模拟复合材料身管带来的影响，认为在材料本身热性能达不到要求时，加入金属导热粉末来增强复合材料的导热系数是一种行之有效的措施。
论文目录:
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题的背景、目的和意义
1.2 相关的国内外研究概述
1.2.1 国内外复合材料在身管上应用研究现状
1.2.2 身管膛内及外壁流场的研究
1.2.3 复合身管固壁热传导及热弹性分析方法的研究
1.2.4 复合材料身管烧蚀与寿命研究
1.2.5 耐高温树脂基复合材料改良应用研究
1.3 本文所做的主要工作
2 复合材料结构基本理论
2.1 概述
2.2 材料的对称性
2.3 复合材料铺层的力学行为
2.3.1 复合材料的工程常数
2.3.2 应力和应变转换
2.3.3 单向复合材料刚度及α单元等效刚度
2.3.4 α单元等效弹性工程常数
2.4 α单元等效热膨胀系数确定
2.5 复合材料的细观力学
2.6 强度破坏准则
3 复合材料身管膛内气流与固壁传热分析
3.1 概述
3.2 不稳定准一维核心流模型
3.2.1 基本假设
3.2.2 基本方程组
3.2.3 边界条件
3.3 不稳定、非定常可压缩流的边界层模型
3.4 数值求解方法
3.4.1 内点的差分格式
3.4.2 边界点的处理
3.5 程序功能特点及框图
3.6 计算结果分析
3.6.1 内弹道特征量计算结果
3.6.2 热对流系数和热流量计算结果
3.7 本章小结
4 带金属内衬的复合材料身管热性能设计
4.1 概述
4.2 复合材料身管传热数理模型的建立
4.2.1 复合材料身管传热的控制微分方程
4.2.2 复合材料身管传热边界和初始条件确定
4.3 复合材料身管传热分析的数值方法
4.3.1 非稳态热传导方程的几种有限差分表达式
4.3.2 复合材料身管固壁传热有限差分方程的建立
4.4 武器发射时考虑热效应的复合材料身管受力分析
4.5 复合材料身管热性能设计方案及分析结果
4.5.1 复合材料身管热性能设计分析程序及功能
4.5.2 复合材料身管热性能设计分析方案
4.5.3 复合材料身管热性能设计分析结果
4.6 本章小结
5 复合材料身管瞬态热结构耦合分析
5.1 引言
5.2 复合材料身管热结构耦合有限元模型
5.2.1 复合材料身管热结构耦合有限元分析基本假设
5.2.2 复合材料身管瞬态轴对称传热有限元基本方程
5.2.3 复合材料身管轴对称热弹性问题有限元基本方程
5.2.4 直接耦合方法解算复合材料身管热结构耦合的特点
5.3 复合材料身管热结构耦合有限元分析模型建立
5.4 复合材料身管瞬态热结构耦合分析结果讨论
5.4.1 瞬态温度场分析结果
5.4.2 瞬态热应力分析结果
5.4.3 考虑热载荷和膛压作用时全等效应力分析结果
5.5 考虑热效应时复合材料身管强度校核
5.6 本章小结
6 复合材料身管烧蚀与寿命问题的研究
6.1 引言
6.2 复合材料身管烧蚀与寿命计算模型
6.2.1 身管膛内烧蚀现象与机理简述
6.2.2 几种身管烧蚀与寿命预测模型
6.2.3 本文采用的复合材料身管连发烧蚀与寿命预测模型
6.3 考虑连发时复合材料身管寿命计算
6.4 提高复合材料身管寿命的方法探讨
6.5 本章小结
7 复合材料身管热性能改良分析
7.1 引言
7.2 耐高温树脂基复合材料改良途径
7.3 金属粉末填充物含量对复合材料热性能影响分析
7.3.1 金属粉末含量对复合材料热传导率的影响
7.3.2 金属粉末含量对复合材料工程常数及比热的影响
7.3.3 金属粉末含量对复合材料热膨胀系数的影响
7.3.4 金属粉末含量对复合材料身管热传导影响的预测
7.3.5 计算结果分析
7.4 本章小结
8 全文工作总结
8.1 概述
8.2 本文完成的主要工作及结论和创新点
8.3 未来工作展望
致谢
参考文献
攻读博士期间发表的论文
发布时间: 2006-12-06
参考文献
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- [2].复合材料身管结构分析与优化研究[D]. 徐亚栋.南京理工大学2006
- [3].复合材料身管的损伤研究[D]. 杨宇宙.南京理工大学2013
- [4].复合材料身管广义热弹性问题理论研究[D]. 付佳维.南京理工大学2016
- [5].弹炮耦合系统动力学及关键参数识别研究[D]. 陈光宋.南京理工大学2016
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- [7].身管径向锻造工艺及锻后身管性能研究[D]. 刘力力.南京理工大学2013
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