内弹道过程与身管温度场耦合数值计算及应用分析(2)
4 带层间冷却的身管热分析. 42 4.1 引言. 42
4.2 层间冷却时身管导热模型. 42
4.2.1 身管三文柱坐标导热模型及横截面极坐标导热模型. 42
4.2.2冷却水与管壁之间的对流换热系数的确定 . 44
4.3 层间冷却时身管的温度响应. 45
4.3.1横向截面二文导热计算结果 . 45
4.3.2 三文导热计算结果. 48
4.3.3 基于 ANSYS的有限元传热计算. 50
4.4 冷却槽尺寸对身管冷却效果的影响分析 52
4.4.1 冷却槽宽度对冷却效果的影响. 52
4.4.2 冷却槽内径对冷却效果的影响. 53
结 论 54
致 谢 55
参 考 文 献 56
1 绪论
1.1 研究背景
武器的发射过程是一种极其复杂的物理化学变化过程。就发射的实质内容
来看，储存在发射药中的化学能在发射的过程中转化为热能并产生大量的气体
工质，随着能量的释放，弹丸在高压燃气的推动下实现武器的弹道性能，在身
管及弹丸所提供的封闭容器中形成高温高压的复杂内膛发射环境。这一过程的
主要特征是温度高、气体流动速度高、温度变化快。发射过程中，高温燃气在
推动弹丸高速运动的同时，也对与之相接触的内膛壁面强制传热，提高身管的
表层温度，破坏身管壁内的热平衡状态，通过伴随热量扩散的热传导过程，形
成不定常的温度分布。
事实上，烧蚀磨损机理研究表明，热因素在内膛破坏中起主导、控制作用。
因此，身管发热问题早就引起人们的重视，在火炮设计中必须考虑。火炮身管
温度过高将对火炮系统产生的不利影响有以下几点：
a)降低了火炮的发射速度
火炮身管温度的急剧升高将引起炮钢性能的下降和火工品危险性的增加等
问题。过高的温度使得火炮必须有相当的冷却间隔，否则将会产生不可挽回的
失误，这就限制了火炮的射击速度。
b) 引起身管热应力剧烈变化及热弯曲
一般发射药的爆温在 2500K～3700K，其中 10%～20%的热能被膛壁吸收。
对弹带摩擦产生的热做了测定，认为弹丸做功的 6%消耗于摩擦，这部分热量大
部分也被膛壁吸收。由于热作用的时间极短(5ms～50ms)，对小口径速射武器仅
1ms～2ms，因此，射击时身管发热的特点是内膛受到热冲击作用。发射后，内
膛迅速冷却，发射瞬间，内壁热量来不及向外传递，身管壁内沿径向存在着很
大的温度梯度，它造成了很大的热应力。热冲击在发射瞬时加热过程中会导致
动态压应力，发射后内膛冷却过程中则产生动态拉应力，这种应力循环，无论是对非镀铬身管还是镀铬身管，均是造成膛面裂纹产生的直接诱因。裂纹的出
现和发展对身管内膛的破坏起着重要的作用。同时，这种激冷激热造成的热应
力也是导致金属疲劳的内在原因，直接影响身管的疲劳寿命。
径向温度梯度不仅会产生热应力，而且还会引起身管的热变形。火炮射击
时身管的热弯曲具有随机性的特点，即受射击环境和气象条件影响较大，例如
阳光照射、侧面风和雨雪都会造成身管周向温度不均匀，从而导致身管弯曲。
据美国 105mm 坦克炮在夏天阳光下试验，不带热护套的身管上下温差达 3.6℃，
炮口角 3.78′带热护套的身管上下温差仅 0.2℃，炮口角 0.17′平均弹着点散布
范围减小到不带热护套身管 39%。
c) 降低射击精度
身管发热对射击精度的影响很难确定，原因在于一方面内膛发热膨胀和磨
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