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大口径火炮自紧身管强度的有限元分析

作　者: 郑祖华
导　师: 祖方遒; 吴圣川
学　校: 合肥工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 火炮自紧身管 残余应力 热力耦合 有限元法
分类号: TJ303
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


现代大口径、大威力、远射程和高膛压火炮，服役中发生身管疲劳失效，甚至造成严重安全事故的情况并不鲜见。故研究火炮身管在服役过程的热力耦合、应力分布及失效机制，对武器系统的运用、维护及安全有重要意义。为此，本文选择某155mm火炮自紧身管为研究对象，从以下几个方面展开研究：①研究考虑炮钢材料线性硬化及包辛格效应下的身管自紧残余应力的计算方法，并利用ABAQUS软件仿真自紧过程，分析身管的自紧残余应力分布情况。②利用ABAQUS软件分析火炮多发连射过程的瞬态传热特性，获得连发射击时自紧身管的热力耦合场。③引入断裂力学在火炮身管中的应用，利用权函数法和有限元法计算身管的应力强度因子（K_I），采用基于多边形有限元和扩展有限元的ALOF软件(Analyses Laboratory ofFracture)模拟内膛裂纹的扩展过程。主要创新性成果和结论如下：(1)火炮材料的包辛格效应（σ_Ε=1.4338σ_s）比线性运动硬化（σ_Ε=2σ_s）模型明显。鉴于ABAQUS材料库中提供的材料模型无法准确反映包辛格效应对残余应力的影响，本文将自紧过程仿真分为加载和卸载两个仿真模型，通过改变卸载模型中的材料塑性参数，较真实的反映炮钢材料的卸载线性硬化特性及包辛格效应。本文通过数值计算所得到的自紧残余应力的结果，与理论值和文献实测值相吻合；(2)将自紧残余应力分析的结果作为热力耦合分析模型的预应力场，实现了在考虑自紧残余应力和热冲击综合作用下身管的热力耦合响应过程仿真分析，获得自紧身管在发射炮弹时的温度场和应力场。计算结果表明：连续射击时，离内壁径向越远，温度上升越低也越平缓；身管内膛的温度场和热应力场都呈现周期性的脉冲变化规律，特定位置的温度、等效应力及其梯度随着射弹数增加而不断上升，但达到一定连发数时趋于平缓；距离身管内膛1.0mm的区域内材料的瞬时峰值温度及热应力可分别高达1100.0K和1041.0MPa；(3)把有限元计算方法应用于身管内膛裂纹应力强度因子计算中，并尝试利用ALOF模拟身管内膛裂纹扩展过程，实现内膛裂纹的全自动扩展过程模拟，研究身管内膛裂纹的扩展规律。裂纹扩展过程模拟结果表明：身管在服役过程中，应力强度因子随裂纹尺寸的增加而增大，主要表现是内膛纵向裂纹沿着身管径向由内向外呈辐射状扩展，当裂纹尺寸达到临界裂纹值时，身管发生断裂而失效。此外，自紧残余应力引起的应力强度因子为负值，与膛压引起的应力强度因子叠加后有效提高身管的疲劳寿命。研究结果为保障身管强度和可靠性、进一步确定服役寿命及开发延寿技术提供重要的科学依据。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
致谢  8-14
第一章 绪论  14-21
  1.1 课题研究的背景  14-15
  1.2 国内外研究现状和发展趋势概况  15-17
  1.3 身管受力和强度设计  17-19
    1.3.1 身管结构与受力  17-18
    1.3.2 身管静强度设计  18
    1.3.3 身管断裂强度设计  18-19
    1.3.4 身管寿命  19
  1.4 本文的主要研究内容  19-21
第二章 身管自紧残余应力的计算  21-40
  2.1 引言  21-22
  2.2 自紧残余应力的解析解  22-29
    2.2.1 弹塑性力学基础  22-24
    2.2.2 理想弹塑性材料下自紧身管应力分析  24-28
    2.2.3 考虑加载与卸载线性强化及包辛格效应下自紧身管应力分析  28-29
  2.3 自紧过程 ABAQUS 模拟  29-39
    2.3.1 ABAQUS 简介  29-30
    2.3.2 理想弹塑性材料模型下自紧过程模拟  30-34
    2.3.3 包辛格效应下自紧过程模拟  34-39
  2.4 本章小结  39-40
第三章 射击过程中身管的热力耦合分析  40-57
  3.1 引言  40
  3.2 传热问题的有限元格式  40-43
    3.2.1 传热问题基本方程  40-41
    3.2.2 稳态传热问题有限元格式  41-42
    3.2.3 瞬态传热问题有限元基本原理  42
    3.2.4 热应力问题有限元格式  42-43
  3.3 身管热力耦合的有限元模拟  43-55
    3.3.1 身管热力耦合分析的数学模型  43-45
    3.3.2 发射过程 ABAQUS 热分析  45-46
    3.3.3 非自紧身管射击过程温度场分析的结果  46-48
    3.3.4 非自紧身管瞬态热应力分析结果  48-53
    3.3.5 自紧身管瞬态热力耦合分析结果  53-55
  3.4 本章小结  55-57
第四章 身管断裂强度分析  57-67
  4.1 引言  57-59
  4.2 带内裂纹厚壁圆筒在内压作用下的应力强度因子  59-63
  4.3 膛压作用下身管的三维裂纹扩展模拟：  63-64
  4.4 自紧力作用下身管的应力强度因子计算  64-65
  4.5 本章小结  65-67
第五章 结论  67-69
  5.1 总结  67-68
  5.2 创新之处  68-69
参考文献  69-74
硕士期间发表的论文  74-75

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中图分类: > 工业技术 > 武器工业 > 火炮 > 一般性问题 > 结构
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