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森林消防炮专用灭火弹结构及动力学研究

作　者: 安进华
导　师: 刘少刚
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 灭火弹减速伞复合材料弹道模型 ANSYS
分类号: S762
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 85次
引　用: 1次
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内容摘要

随着科学技术的发展和人类对森林火灾认识的不断深入,许多国家都在积极研制各种森林消防装备,这些装备在森林消防中起到了积极的作用。本课题来源于国家科技部科研院所社会公益研究专项“远程森林消防灭火用炮、车、弹系统”(项目编号：2005DIB3J138)和国家林业局重点项目“森林火灾远程快速安全扑救装备集成系统开发”(项目编号：2006-48)。课题的目标是研究一种以高压空气为动力发射的森林灭火弹,该弹主要针对林火中最难扑救的树冠火而设计,能够在飞临火场目标上空时,自动完成抛伞减速动作,以实现在树冠上部起爆、弥散灭火剂,达到最优的灭火效果。本文介绍了森林灭火弹的分类特点及国内外发展现状,根据灭火弹的功能要求及其发射原理确定了灭火弹的总体结构,阐述了弹体外形结构及其内部主要部件结构的研究方法和过程,求得了灭火弹结构特征数和减速伞参数。结合灭火弹在发射时的受力特点,确定了弹体圆柱部和尾部分别应用单向短纤维增强和随机短纤维增强复合材料,并对复合材料的模量和强度进行了计算,为下步结构计算分析提供了依据。利用有限元分析软件ANSYS对弹体主要受力部位进行了强度和刚度分析。利用ANSYS软件分析了橡胶密封圈在炮膛内的密封过程,得到了弹丸的滑动摩擦力与工作压力的关系,并最终确定了弹丸的内弹道模型。将弹丸自由飞行阶段考虑为单质点弹道,将减速伞的拉直阶段考虑为三质点弹道,充气阶段和稳定降落阶段考虑为双质点弹道分别进行建模研究,得到了弹丸自由飞行阶段和抛伞减速阶段的基本弹道计算结果。通过对灭火弹飞行特性的分析,应用表算法得到了灭火弹的空气动力特征数,并运用弹丸的稳定储备量和摆动特性两种方法研究了灭火弹的飞行稳定性,结果表明灭火弹飞行稳定。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-18
  1.1 课题研究的背景  11-12
  1.2 森林灭火弹的分类及特点  12-13
  1.3 森林灭火弹的研究现状  13-16
    1.3.1 国外森林灭火弹研究现状  13-14
    1.3.2 国内森林灭火弹研究现状  14-16
  1.4 本论文的研究工作  16-18
第2章森林灭火弹总体结构研究  18-34
  2.1 引言  18
  2.2 灭火弹的工作过程  18
  2.3 灭火弹结构要求分析  18-20
  2.4 弹体结构方案的确定  20-26
    2.4.1 弹体外形结构的确定  20-21
    2.4.2 弹体内部主要部件设计  21-24
    2.4.3 弹体材料的选择  24
    2.4.4 灭火剂的选择  24-25
    2.4.5 灭火弹总体结构简图  25
    2.4.6 灭火弹的结构特征数  25-26
  2.5 减速伞设计  26-32
    2.5.1 减速伞的设计要求  26
    2.5.2 减速伞结构设计  26-28
    2.5.3 减速伞纺织材料的选择  28-29
    2.5.4 减速伞设计计算  29-32
  2.6 本章小结  32-34
第3章灭火弹静力结构分析  34-49
  3.1 引言  34
  3.2 灭火弹膛内受力分析  34-37
    3.2.1 弹丸在锁闭状态下所受的载荷  34-35
    3.2.2 弹丸沿炮膛滑动状态下所受的载荷  35-37
  3.3 弹体用复合材料设计  37-43
    3.3.1 纤维增强复合材料  37
    3.3.2 纤维增强复合材料设计  37-39
    3.3.3 横观各向同性材料的应力—应变关系  39
    3.3.4 单向短纤维复合材料的弹性常数预测  39-41
    3.3.5 单向短纤维复合材料的强度预测  41-43
  3.5 弹体结构的有限元分析  43-47
    3.5.1 弹体结构的有限元模型  43-44
    3.5.2 灭火弹静态特性的有限元分析  44-47
  3.6 本章小结  47-49
第4章弹道特性研究  49-68
  4.1 引言  49
  4.2 内弹道  49-57
    4.2.1 0形橡胶圈的密封性能分析  49-54
    4.2.2 弹体与炮膛内壁滑动摩擦力的计算  54-55
    4.2.3 内弹道动力学模型  55-57
  4.3 外弹道  57-66
    4.3.1 自由飞行阶段动力学模型  57-58
    4.3.2 减速阶段动力学模型  58-64
    4.3.3 算例及分析  64-66
  4.4 本章小结  66-68
第5章灭火弹飞行稳定性研究  68-77
  5.1 引言  68
  5.2 飞行时灭火弹所受诸力和力矩  68-70
    5.2.1 作用在灭火弹上的空气阻力  68-69
    5.2.2 作用在灭火弹上的空气动力矩  69-70
  5.3 灭火弹空气动力特征数的计算  70-73
  5.4 灭火弹飞行稳定性分析  73-76
    5.4.1 弹丸的稳定储备量  73
    5.4.2 弹丸飞行中的摆动分析  73-76
  5.5 本章小结  76-77
结论  77-78
参考文献  78-82
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  82-83
致谢  83

森林消防炮专用灭火弹结构及动力学研究

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