身管内多物理场耦合分析

摘要

机枪是现代陆军最重要的火力武器之一，具有威力大、射程远、重量轻、机动性好等特点，是打击一公里内火力点和轻型装甲目标最经济最有效的手段。射击时，机枪身管处在高温高压高速火药流体的冲击和弹丸的机械摩擦双重作用下，随着射击次数或射速的提高最终引起身管膛线磨损、弹丸初速度降低、射击精度下降，研究认为热冲击作用是引发这些故障的主要原因，故研究机枪身管在射击时瞬态温度场的变化规律和应力分布对身管的寿命预测、结构设计、材料选择具有重要的意义。
　　本文研究了身管在射击时的传热过程以及火药流体在身管内的流动过程，建立了身管传热和火药流动的数值模型，采用借助MpCCI多物理场耦合计算平台联合结构分析软件ABAQUS和流场分析软件Fluent的方法对机枪身管进行流-固-热多物理场耦合计算。ABAQUS采用耦合温度位移模型对身管的传热过程及热力耦合进行了模拟计算；FLUENT采用标准k??湍流模型对身管内的火药流动过程进行了分析计算，通过MpCCI交换结构场和流场在耦合区域的计算结果并以此互为对方的边界条件最终完成了身管的流-固-热耦合计算。
　　针对身管内壁不同的铬涂层厚度建立了0.28mm、0.35mm、0.41mm三种几何模型，对其进行流-固-热多物理场耦合有限元仿真计算，分别得到了三种身管的瞬态温度场和应力场分布情况。对比分析计算结果得出以下结论：基于MpCCI多物理场耦合接口，联合结构计算软件ABAQUS和流体计算软件Fluent对身管进行流-固-热耦合的分析方法是可行的；在相同的射击条件下，随着身管内壁铬涂层厚度的增加，身管的温度最大值依次上升而Mises应力最大值依次下降；在身管与涂层的结合部位产生了应力集中现象，随着身管内壁铬涂层厚度的增加集中应力的最大值依次减小。