基于MARC的火炮自紧身管强度有限元分析及其裂纹扩展研究

论文摘要

本文主要介绍了火炮身管的结构原理,特别是自紧身管提高火炮弹性承载能力的原理以及身管最佳自紧压力的求解方法,并利用MARC有限元软件对我军大量装备的某122毫米火炮的射击过程进行了仿真,模拟其在射击过程中应力场分布情况,并与自紧身管进行对比,找出了自紧身管在提高火炮强度方面所起的作用。最后对火炮身管裂纹扩展规律进行研究,建立三维J积分有限元模型,并与自紧身管进行对比,找出了自紧技术在提高身管抗断裂能力方面所起的作用。本文主要研究了以下几个方面的内容:1.研究了火炮内弹道基本规律、炮膛结构、火炮发射时身管的受力分析、身管设计采用的内压规律以及单筒身管的强度。特别是解出了某122火炮的内弹道方程,掌握了其膛压分布规律,为建立射击过程中身管三维有限元模型打下了良好基础。2.利用MARC有限元软件对自紧身管设计原理及最佳自紧压力的求法进行了深入研究,阐述了自紧身管提高弹性承载能力的原理及自紧身管残余应力沿径向分布规律,为自紧身管的加工及处理提供良好的理论依据。最后建立了身管在射击过程中的三维有限元模型,并对其进行数值仿真,分析射击过程中身管应力场分布规律,并与自紧身管进行对比后得出:在最佳自紧压力440MPa的处理下,身管在射击过程中各截面的应力分布最为合理,内外表面应力差基本为0,射击过程中的最大等效应力也从829.4MPa降到了681.2MPa,安全系数则从1.36提高到1.61。3.叙述了断裂力学基本知识及其在火炮身管断裂强度设计中的应用,指出了身管裂纹扩展三个阶段的特征,并对其亚临界扩展规律及身管疲劳裂纹扩展寿命进行了研究,重点分析了身管疲劳破坏的特征、疲劳裂纹扩展规律以及影响疲劳裂纹扩展的因素等。最后利用MARC有限元软件建立了身管三维J积分计算模型,求出了其临界裂纹尺寸(当h=11时,a=16;当h=12时,a=12;当h=13时,a=10);找出了J积分随裂纹尺寸及形状的变化规律:J积分值随裂纹尺寸的增大而增大(部分受到裂纹形状h/a的影响)。表现出裂纹长度的变化对J积分值的影响较小,当h/a小于临界值k(约为0.7～0.8)时,裂纹深度的变化对J积分值的影响同样比较平缓;而当h/a大于临界值k后,裂纹深度对J积分值的影响急剧增加,此时,J积分最大值从裂纹最深处转移到了药室内表面。由此,可得出结论:当h/a大于临界值k时,裂纹深度的增加对身管的破坏性极强。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国外火炮装备现状及火炮发展的趋势
• 1.2.1 装备现状
• 1.2.2 火炮发展趋势
• 1.3 火炮结构
• 1.3.1 对火炮结构的总体要求
• 1.3.2 火炮结构组成
• 1.4 研究背景、意义及主要内容
• 1.4.1 课题研究背景及意义
• 1.4.2 课题研究的主要内容
• 第二章 身管结构原理及设计理论研究
• 2.1 身管的分类
• 2.2 内弹道数学物理模型
• 2.3 炮膛结构及发射时身管的受力分析
• 2.3.1 炮膛结构
• 2.3.2 火炮膛线
• 2.3.3 发射时身管的受力分析
• 2.4 单筒身管强度
• 2.4.1 发射时身管的变形和应力
• 2.4.2 身管强度极限与壁厚的关系
• 2.4.3 确定身管外径的一般方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 自紧身管最优化设计及火炮射击过程有限元仿真
• 3.1 自紧身管设计原理及最佳自紧压力
• 3.1.1 自紧身管残余应力沿径向分布情况
• 3.1.2 自紧身管提高弹性承载能力原理
• 3.1.3 自紧身管最佳自紧压力的求解方法
• 3.2 基于MARC二次开发的某火炮发射过程身管有限元仿真模型
• 3.2.1 身管结构及有限元网格划分
• 3.2.2 材料参数及初始条件
• 3.2.3 边界条件及工况
• 3.3 仿真结果及分析
• 3.3.1 应力沿身管轴向及径向分布情况
• 3.3.2 自紧身管与非自紧身管各种参数对比
• 3.4 本章小结
• 第四章 身管裂纹扩展规律及其三维J积分有限元计算
• 4.1 身管疲劳裂纹扩展规律及其寿命计算
• 4.1.1 身管裂纹类型及其亚临界扩展规律
• 4.1.2 疲劳裂纹扩展寿命计算
• 4.1.3 断裂力学在火炮身管设计中的应用
• 4.2 基于MARC有限元软件的身管裂纹J积分计算模型
• 4.2.1 J积分基本理论
• 4.2.2 利用MARC有限元进行断裂力学分析
• 4.2.3 身管裂纹J积分有限元模型的建立
• 4.3 仿真结果及分析
• 4.3.1 非自紧身管裂纹J积分计算结果及其分析
• 4.3.2 自紧身管裂纹J积分计算结果及其分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 厚壁圆筒残余应力实验研究
• 5.1 实验目的及方案
• 5.2 实验数据处理
• 5.3 实验数据采集及结论
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 主要研究工作及结论
• 6.2 研究中存在的问题及展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士期间的研究成果