復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)襯身管的減重設(shè)計

　　摘要：連續(xù)纖維增強復(fù)合材料作為比強度較高的新型材料，在軍事領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。火炮作為陸軍的重要武器裝備，存在質(zhì)量較大的不足。本文基于最小質(zhì)量原則，提出了一種復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)襯身管的減重設(shè)計方案。通過計算連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的厚度和纏繞角度，并采用分段式設(shè)計，使復(fù)合材料的整體性能滿足身管的設(shè)計要求同時，質(zhì)量最小，從而達(dá)到減少火炮身管質(zhì)量的目的。最后使用有限元法，驗證了基于本文提出的設(shè)計方案設(shè)計的130mm口徑50倍徑火炮的力學(xué)性能。仿真結(jié)果表明，基于本方案設(shè)計的身管滿足設(shè)計要求，同時可以降低身管質(zhì)量，提高火炮機動性。

　　關(guān)鍵詞：復(fù)合材料身管;纏繞角度;有限元;減重設(shè)計

　　身管是炮身的主體，是火炮的核心部件，作為賦予彈丸初速度和確定彈丸飛行方向的重要結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部需要承受火藥等燃燒時產(chǎn)生的巨大壓力，因此傳統(tǒng)身管的厚度較大，但由于所使用的材料比強度較小，導(dǎo)致火炮質(zhì)量較大，不利于火炮的機動性。

　　隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，在保證火炮身管強度等安全條件的前提下，進一步減少炮身的質(zhì)量，是火炮身管的重要發(fā)展趨勢。連續(xù)纖維增強復(fù)合材料具有比強度高的優(yōu)點，同時具有優(yōu)異的可設(shè)計性，其在承壓容器上已被廣泛應(yīng)用。身管在彈丸發(fā)射的過程中需要承受時變和作用位置變化的火藥燃?xì)鈮毫ΑＷ鳛槌惺茏儔毫Φ娜萜鳎�身管可以采用類似的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以達(dá)到進一步減少質(zhì)量的目的，從而提高火炮的機動性，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展。

　　復(fù)合材料的耐燒蝕性能、耐磨性能較差，可以通過添加金屬或陶瓷內(nèi)襯來完成設(shè)計。國外研究人員在復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)襯身管領(lǐng)域的發(fā)展較早[13]：美國洛克希德公司采用復(fù)合材料技術(shù)研制了多款迫擊炮，較鋼制炮身，火炮整體質(zhì)量降低62%;美國研發(fā)的“紅眼”系列導(dǎo)彈采用了玻璃纖維復(fù)合材料發(fā)射筒，極大地減小了質(zhì)量;英國“勞80”發(fā)射筒使用凱夫拉纖維等。

　　國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)和人員也對此進行了研究：徐亞棟[4]通過研究復(fù)合材料的力學(xué)性能，建立了復(fù)合材料身管的力學(xué)性能特征;陳龍淼等[5]研究了金屬內(nèi)襯厚度對復(fù)合材料纏繞身管的熱影響;劉暢等[6]通過建立有限元模型，研究了復(fù)合材料層與身管黏結(jié)失效的問題;譚繼宇等[7]以無后坐力炮為研究對象，設(shè)計了復(fù)合材料纏繞的新炮身。筆者基于最小質(zhì)量原則，提出了新的復(fù)合材料纏繞內(nèi)襯身管的設(shè)計方案，并以前蘇聯(lián)130mm口徑50倍徑B13艦炮身管為研究對象，對比了新的設(shè)計方案與舊有結(jié)構(gòu)。

　　1身管設(shè)計的數(shù)學(xué)模型

　　1.1內(nèi)襯設(shè)計

　　連續(xù)復(fù)合材料纏繞內(nèi)襯身管中，金屬內(nèi)襯與彈丸和裝藥及其燃燒氣體直接接觸，在設(shè)計時主要考慮其耐燒蝕性能和耐磨性能。在設(shè)計時需要確定內(nèi)襯的厚度，其可通過內(nèi)襯所使用的材料和預(yù)期其所承受的壓力來確定。對于內(nèi)襯，其軸向受力遠(yuǎn)小于徑向受力，因此在設(shè)計時，為保證內(nèi)襯材料的強度和剛度，可以只考慮徑向壓力。文獻(xiàn)[8]提出絲緊身管內(nèi)襯厚度為身管口徑的0.25倍。相較于絲緊身管的鋼絲，復(fù)合材料具有更大的剛度和強度，因此可以適當(dāng)減小金屬內(nèi)襯的厚度。

　　1.2連續(xù)纖維復(fù)合材料層的設(shè)計

　　由火炮身管的受力分析可知，身管在軸向和徑向這兩個垂直的方向上受力并不相同，因此，通過設(shè)計連續(xù)纖維的鋪層角度和鋪層順序達(dá)到身管在徑向和軸向上的受力要求，可以極大地降低身管的總體質(zhì)量。根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，火炮在徑向主要受到裝藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體對身管壁的壓力。由內(nèi)彈道變化規(guī)律可知，發(fā)射時身管任一截面的最大壓力是該截面位置的函數(shù)。

　　火炮在軸向主要受到高壓氣體作用在身管底部的壓力，以及彈丸在身管內(nèi)運動時與膛線產(chǎn)生的擠壓和摩擦的軸向力�；鹚幦紵�的高壓氣體作用在身管底部的壓力與該氣體作用在彈丸底部驅(qū)使彈丸與身管內(nèi)膛線擠壓摩擦的軸向分力的差值，是身管在發(fā)射時產(chǎn)生向后運動的原因。對于復(fù)合材料外殼的設(shè)計而言，軸向受力分析需忽略該運動，則其軸向應(yīng)力由彈丸的運動產(chǎn)生，從文獻(xiàn)[8]可知，彈丸對身管的軸向力是任一截面位置的函數(shù)。

　　根據(jù)前文分析，為滿足身管在軸向和徑向上的強度要求，外層復(fù)合材料的設(shè)計應(yīng)滿足復(fù)合材料縱向和橫向的強度比與身管周向和軸向的受力比相同，則該值也為任一截面的函數(shù)。相較于火炮的金屬內(nèi)襯的外徑，外層復(fù)合纖維的厚度較小，故采用薄殼理論進行設(shè)計。為防止因各段復(fù)合材料的交接處因厚度突變產(chǎn)的材料失效，同一層的環(huán)狀纏繞層應(yīng)貫穿所有復(fù)合材料段。為避免復(fù)合材料與后座復(fù)進機構(gòu)產(chǎn)生摩擦，炮身后段采用全金屬炮身。

　　2建模與仿真

　　在身管尾端添加固定約束，模擬炮尾對其的約束。在身管內(nèi)部添加高低溫壓力設(shè)計曲線對應(yīng)位置的壓力，根據(jù)分析，身管在作用壓力的階段，最大徑向位移不超過0.33mm，滿足剛度的設(shè)計要求，同時金屬內(nèi)襯所受最大應(yīng)力不超過925MPa，滿足金屬內(nèi)襯強度的設(shè)計要求。在身管內(nèi)襯與復(fù)合材料的軸向交接處，金屬內(nèi)襯存在臺階突變，為防止此處因應(yīng)力集中產(chǎn)生失效，對該處網(wǎng)格加密后分析。

　　由此可以看出，在該處的最大應(yīng)力不超過600MPa，滿足設(shè)計要求。復(fù)合材料外殼的強度分析采用最大應(yīng)力，最大應(yīng)變，蔡-吳準(zhǔn)則進行分析。即與金屬內(nèi)襯接觸層。根據(jù)失效分析結(jié)果可知，失效分析結(jié)果最大值不超過0.4，滿足復(fù)合材料強度等的設(shè)計要求。采用復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)襯的設(shè)計方案，130mm口徑50倍口徑的身管質(zhì)量為900.81kg，相較于采用全金屬身管的70kg，降低了約34.2，可以極大降低整炮質(zhì)量，提高火炮的機動性。

　　3結(jié)論

　　本文基于最小質(zhì)量原則，根據(jù)復(fù)合材料纏繞技術(shù)的設(shè)計方法，提出了復(fù)合材料纏繞金屬內(nèi)襯身管的設(shè)計方案，主要計算了復(fù)合材料纏繞層的厚度和纏繞角，并通過建模和有限元分析的方法，驗證了采用該方案設(shè)計的130mm口徑50倍身管設(shè)計的可行性。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[5]陳龍淼,錢林方.金屬內(nèi)襯對復(fù)合材料身管熱性能影響分析[J].兵工學(xué)報,2008,140(11):13031307.

　　[6]劉暢,楊國來,范雪坤,等.復(fù)合材料身管的動態(tài)沖擊響應(yīng)分析[J].彈道學(xué)報,2020,32(4):7682,96.

　　[7]譚繼宇,張效天,張魏友,等.基于復(fù)合材料纖維纏繞增強技術(shù)的身管減重設(shè)計[J].兵器裝備工程學(xué)報,2021,42(1):5054.

　　[8]潘玉田.炮身設(shè)計[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2007:1217:5165.

　　作者：郭靖宇1，呂佳鎂2，郭保全3，KhazievAlexey1，李必天1，潘玉田3

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