基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:安徽省自然科学基金项目()国家自然科学基金项目()作者简介:吴斌()男博士教授:.:./.基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究吴 斌司东亚郑 靖白雪莲李 坤罗天放黄 欣邹志强(陆军炮兵防空兵学院 合肥)摘要:火炮发射过程中产生的烧蚀磨损和疲劳使身管性能逐渐衰退直至不能使用更为严重的是时而发生的膛炸事故对人员生命和武器装备安全构成威胁身管发射安全隐患始终存在 传统的身管寿命评估方法包括基于尺寸、图像、温度和初速变化来预测身管剩余使用寿命的方法尚不能科学、准确地评估身管健康状态和剩余使用寿命 针对该问题在深入分析身管内膛损伤物理机制的基础上提出以发射时身管外壁面应变为损伤特征参数的身管健康监测方法揭示了应变与弹丸 身管 发射药系统之间的内在映射关系阐释了该方法的基本原理以及如何用于评估身管剩余使用寿命 火炮实弹射击数据和数值模拟结果均证实了该方法的科学性、可靠性和实用性关键词:身管烧蚀磨损疲劳寿命评估健康监测应变可行性本文引用格式:吴斌司东亚郑靖等.基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言火炮是以发射药为能源用身管发射弹丸等战斗部的武器 发射时弹丸(含引信)和发射药是一次性使用的而身管需反复使用必须满足一定的寿命指标 通常情况下弹丸发射过程不大于 发射药燃烧温度 最大膛压 初速 /因此瞬时性、强载荷、极端环境构成了火炮工作特色疲劳和烧蚀磨损是影响火炮身管寿命的主要因素二者的耦合作用使身管内膛损伤随射弹发数的增加而不断加剧 一方面内膛直径沿身管轴向位置不同程度的增大尤其是坡膛和膛线起始部磨损最为严重造成弹丸不能准确定位弹带与身管内膛配合不能有效密封火药燃气和传递扭矩导致弹丸初速、稳定性逐渐下降、射击精度丧失另一方面内膛表面的网状裂纹形成了大量的应力集中源在冲击载荷作用下裂纹沿身管径向由内向外扩展微观裂纹向宏观裂纹发展一旦裂纹深度达到临界值继续射击将引起身管膛炸 通常情况下烧蚀磨损造成身管内膛直径的扩大尚可利用测径仪等进行测量然而壁厚约 的身管其内壁裂纹在野战服役条件下很难被探测到发射的安全隐患始终成为一线官兵十分关注的现实问题身管寿命是在弹道性能降低到战术技术指标规定的允许值以下或发生疲劳破坏前身管所能发射的当量全装药的射弹数目二者分别称为身管磨损寿命和身管疲劳寿命 身管寿命受制于这 种寿命由此确定的寿命发数较少者就是身管的寿命 随着现代战争对火炮威力(射程、射速、射击精度等)要求的不断提高其发射环境愈来愈严酷时有发生的身管膛炸或胀膛现象成为制约火炮发展的瓶颈之一 发射时身管膛炸或胀膛一旦发生可能造成火炮损毁、人员伤亡在日常训练情况下不仅影响正常工作而且可能对有关人员造成心理压力在战时甚至会贻误战机导致战斗失利身管寿命或者说身管剩余寿命一直是火炮设计和使用者最为关心的一个问题 火炮射击涉及到弹、炮、药以及环境、射击规范等诸多复杂因素身管寿命试验需要消耗巨大的人力、物力和财力因此如何准确评定身管健康和预测剩余使用寿命对保证发射安全性具有重要意义也是各国竞相攻关的重要理论与技术难题本文中在全面分析传统寿命评估方法存在的不足的基础上探讨了发射过程中的力学现象和身管损伤特征提出了基于应变的身管健康监测和寿命评估方法从物理机制的角度揭示了身管健康劣化过程为保证身管发射安全性提供了新方法 传统身管寿命评估方法.基于尺寸变化的身管寿命评估方法基于尺寸变化的身管寿命评估方法有药室增长量法和膛内定点内径增大量法 种 以大口径线膛炮为例(见图)弹丸和发射药分装当弹丸装填到位后弹带与坡膛紧密接触从而使弹丸正确定位 就新炮而言第 发弹装填后弹底与药室尾端面之间的距离为 第 弹发射后增长为 随着射弹发数的增加坡膛和膛线不断磨损导致弹丸定位点逐渐前移 若令发射第 发弹后身管报废即测得的 达到临界值则有:()其中 据此建立射弹发数 与药室增长量 之间的经验关系即 ()()图 身管药室长度和膛径变化示意图.在部队使用中常用测量药室增长量来评定身管的等级 但是此种方法误差较大即使对同一类型的多门火炮而言在身管寿命终止时测量的药室增长量也不相同且分散较大 这种方法已废弃不再使用类似地身管内膛直径随射弹发数增加而变大 通常选取膛线起始部向前 英寸(.)位置进行测量通过建立内径变化量 与射弹发数 的经验关系式以预测身管剩余寿命即有 ()()()式()中:为新炮的内径为设定的某型火炮兵 器 装 备 工 程 学 报:/./报废时的最大内径 例如美军 型 火炮身管内径增大量达到.时则寿命终止内膛定点直径测量方法较药室增长量法似乎更为合理些因此这种方法目前仍在某些场合应用 但实质上基于尺寸变化的身管寿命评定方法没有科学依据药室增长或膛径增大仅仅是身管内膛损伤的外在表象远未触及其损伤的内在物理机制事实上尺寸测量无法反映身管钢组织变化(见图 原始组织、热影响区、化学反应区)因此建立的所谓射弹发数与药室增长量或内径增大量之间的经验关系式只能是不具有任何物理意义的数学表达式 例如由于身管内膛沿轴向的磨损不同且同一断面的磨损也不是均匀的所以同一个测量者对同一个断面的多次测量值也不相同测量结果准确性严重依赖于该测量者的经验等因素图 已发射身管断面金相组织.内膛定点直径测量方法不适用于内膛镀铬身管 图 所示为镀铬身管内膛损伤状况可以看到 区的铬层已经脱落 区的铬层尚未脱落但少许裂纹已穿透铬层 显然不能以 区或 区的身管内膛直径测量值来反映其损伤程度 区铬层中的穿透型裂纹也是无法测量的图 镀铬身管内膛损伤特征.基于图像变化的身管寿命评估方法火炮身管就形状而言可认为是一个厚壁圆筒 身管口径通常在 以 /火炮身管为例其长度达 由于身管因发射造成的损伤发生在不易观察的内膛因此给研究造成了很大的困难 人们借助内窥镜(见图)等仪器对内膛进行观察发现在高温高压高速火药燃气以及弹丸弹带和导引部的作用下仅射击几发弹后内膛表面阴、阳线上就出现了裂纹起初以横向裂纹为主随着射弹发数的增加裂纹数目增多且纵向裂纹与横向裂纹交织在一起形成网状裂纹并不断加宽、加深 也就是说在身管不同寿命阶段内膛单位面积内的裂纹密度不同且呈逐渐增大趋势(见图)图 内窥镜.基于图像变化的身管寿命评定方法只能是一种定性的且较为粗糙的身管损伤程度评定方法即裂纹密度越大则身管损伤越严重其剩余使用寿命越少 事实上裂纹不仅在身管内膛表面呈现(二维)而且沿身管径向由内向外扩展(三维)如图 中 区铬层中的裂纹因此这种方法只能作为评定身管内膛破坏程度的一种辅助手段图 身管内膛表面的裂纹.基于温度变化的身管寿命评估方法火炮发射时高温火药燃气对膛表金属快速加热在表层内形成很高的温度梯度产生较大的热应力 火药燃气中的、等与膛表金属反应生成较脆的、()等低熔点产物在高速火药燃气冲刷作用以及弹丸弹带和导引部的机械摩擦作用下去除 也就是说每发射一发弹在去除上一发弹发射过程中生成的化学影响层的(部分或全部)同时又生成新的化学影响层如此循环(见图 中的 区)因此通过建立磨损量和输入的热流密度、身管初始温度、身管膛表峰值温度等之间的关系式进而预测身管剩余寿命 这种方法只适用于非镀铬身管内膛的正吴 斌等:基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究常磨损不适用于镀铬身管也不能反映身管钢材料组织、性能的变化以及裂纹的生成和扩展 应用这种方法计算身管内膛磨损量时需要测量热流和温度等物理量故只适用于在靶场条件下部队未有使用.基于初速变化的身管寿命评估方法身管内膛磨损改变了弹丸与身管之间的相互作用 坡膛和膛线起始部的磨损对弹丸挤进过程有显著影响 一方面弹丸不能正确可靠定位另一方面弹炮间隙增大导致挤进阻力减小进而引起最大膛压下降初速随之降低 因此通过测量每发弹的初速建立射弹发数 与初速下降量之间的关系式当初速下降到某一临界值时身管即报废 通常在近炮口相距为 的 处安装传感器如光纤光栅应变传感器或电阻应变片由弹丸依次通过传感器 和 时捕获的峰值信号确定时间差 ()()()式()中:为第 发弹的炮口初速 为身管寿命终止时第 发弹初速事实上身管剩余寿命与炮口初速之间并无必然的联系 同一类型的多门火炮在寿命终止时其初速下降量并不相同而是在一个相对宽泛的范围内 对大口径线膛炮而言当其初速下降量达到 时仍然可以射击并满足战术要求 而对射击精度要求较高的坦克炮来说当初速下降量达到 时身管寿命即终止 此外内膛磨损并不是影响炮口初速下降的唯一因素综上所述基于尺寸变化和图像变化的身管剩余使用寿命评估方法属于静态检测方法即火炮停止射击利用测径仪和窥膛镜进行测量和观察 基于温度变化和初速变化的身管寿命评估方法属于动态检测方法即在每一发弹射击时测量身管温度和初速 尽管传统的身管寿命评定方法对促进身管寿命研究发挥了一定的积极作用加深了人们对身管内膛损伤的理解进而发展了一些抵抗身管磨损和疲劳的技术并在一定程度上延长了身管的使用寿命但这些方法因未能深刻触及身管损伤的物理机制及其表征身管剩余寿命预测问题至今仍是身管武器发展中的一个瓶颈难题 基于应变的身管健康监测.发射过程中身管应力应变关系身管应力应变分析的依据是厚壁圆筒(壁厚与半径属于同一量级的圆筒)理论 以目前常用的单筒身管为例身管内外径分别为 和 承受的内外压分别是 和 径向应力()、周向应力或环向应力()、轴向应力()分别为 ()()()()式()中:和 分别为身管内、外半径式()中:为常数对于身管钢来说泊松比 .为化简应变公式选取 /则径向应变()、周向应变()为 ()()()()式()中:为弹性模量当单筒身管发射时只有内压无外压即 若忽略轴向应力则联合式()、式()、式()和式()可计算得到身管壁内任一点处的应力、应变身管外壁面的周向应力等于其等效应力即 ()因此通过测量身管外壁面的周向应变 由式()就可以得到周向应力 再计算得到内压 一旦内压 确定后根据式()和式()就可以计算得到径向应变、等效径向应力 以及径向应力.基于应变的身管健康监测原理当一发弹射击时由弹丸、身管和发射药组成的发射系统是确定的 因此在发射过程中身管外表面的应变包括径向应变、周向应变和轴向应变也相应确定 也就是说这些应变反映了弹丸和发射药对身管的作用(见图)身管外表面应变()与弹丸、身管、发射药相关参数之间的关系式可表达为 ()()式()中:为与弹丸有关的因素主要有弹带直径、弹带长度、弹带结构、弹带材料等为与身管有关的因素主要有膛线结构、膛线类型、坡膛结构以及身管内膛表面状态等为与发射药有关的因素主要有发射药种类装药量等图 身管外壁面应变的影响因素.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./对弹丸、身管和发射药组成的发射系统而言当弹丸和发射药类型确定后在火炮射击历史数据中第 发弹的发射条件是新弹、新药、新炮后续发射则是新弹、新药、旧炮弹丸和发射药均是一次性使用的身管在报废之前却是要反复使用的在发射第 发弹后身管损伤过程就开始了对线膛炮而言弹带的直径比阴线直径略大些如美 榴弹炮身管阳线直径为.阴线直径为.弹带直径为.弹带与阴、阳线的单边过盈量分别为.和.第 发弹发射时弹丸弹带与身管内膛阴、阳线的过盈配合量是最大的因此二者之间的作用力是最大的反映到身管外表面的应变也是最大的 随着射弹的增加内膛磨损使膛径增大过盈量呈逐渐减小趋势身管钢组织、性能也发生相应变化这些都导致弹带与阴、阳线之间的相互作用不断减弱身管外表面应变也相应减小 一旦弹带与阴、阳线配合不可靠就可能引起高速火药燃气从弹带和膛壁之间的缝隙中冲出这个冲刷作用是加速内膛烧蚀的主要原因 当坡膛磨损后弹带与坡膛的接触点前移导致药室容积增大引起发射药燃烧生成的火药燃气压力降低同样会使身管外表面应变减小(见图)所以说任一发弹射击时在身管外壁面产生的应变包含了弹、炮、药 者的综合信息 因此以应变作为身管损伤状态特征值通过监测火炮发射过程中身管外壁面应变的变化规律就可以准确评估身管健康状况进而预测身管剩余寿命图 不同损伤条件下的弹丸 身管相互作用示意图.假设身管发射 发弹后报废建立射弹发数 与应变变化量之间的关系式为 ()()()式()式()中:和 分别表示第 发和第 发弹发射过程中身管外壁面应变表示第 发和第 发弹发射时身管外壁面应变差它表示发射第 弹给身管造成的损伤程度身管从几何形状上可以简化为沿轴向具有不同壁厚的厚壁圆筒运动的弹丸、高温高压高速流动的火药燃气与身管的相互作用发生在不易观测的身管内部空间 因此如何从身管外部监测以了解发射过程中的各种重要信息是十分必要的 身管外壁面周向应变和轴向应变是各型火炮射击过程中最广泛采集的特征参数一方面它包含了丰富的弹丸、身管、发射药三者相互作用的信息另一方面根据反问题研究思想可以建立应变、应力和力的内在联系通过探求应变在身管全寿命周期中的演化规律进而建立其与身管健康状态之间的映射关系.基于应变的身管寿命评估方法身管外壁面应变 与射弹发数 之间的关系如图 所示 当身管外壁面应变由 减小到 时身管使用寿命终止(图中 为临界应变规定 比 略大以确保发射安全裕度)应变的变化规律分析如下:)假定每发弹对身管造成的损伤程度是一样的即 这种应变变化规律如图 中直线 所示即应变随射弹数呈线性下降)应变随射弹发数增加而减小在超过某一发数后下降速率增大身管呈加速损伤趋势这种情况类似于弹炮间隙超过某一值后不能有效密封火药燃气膛压下降 这种应变的变化规律可以用折线来表示即存在一拐点当第 发弹发射后身管损伤加剧如图 中折线 所示)图 中曲线 显示应变的另一种变化规律即应变从第 发弹开始后逐渐下降在开始发射的一定发数内应变下降较为平缓当超过某一发数后应变下降速率加大可认为此时弹炮相互作用已明显减弱 同样该曲线也存在拐点图 身管外壁面应变与射弹发数关系示意图.第 发弹射击时弹炮之间的过盈量最大(见图()为弹带直径为阳线直径为阴线直径)最大记为 随着射弹发数增加身管损伤逐渐加剧 也随之减小 令身管在发射 发弹后报废即第 发弹发射时身管外壁面应变为 当阳线完全磨损完内膛直径变为阴线直径(假定阴线直径不变)如图()所示 在这种情况下线膛炮看起来就像是滑膛炮一样弹丸已不可能获得必要的转速了身管已经失去其固有功能此时身管必须报废 还有一种更为恶劣的情况即身管阴线也被完全磨损掉身管内径扩大到弹带的直径(见图()这种条件下弹丸无法正确装填和可靠定位弹丸挤进和旋转更不可能发生弹炮相互作用可以忽略不计 这时身管外壁面应变仅吴 斌等:基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究与火药燃气压力有关记为临界应变 事实上这种情况在火炮工程实践中不会发生图 种身管损伤条件下的弹炮配合示意图.根据火炮工程实践对比上述分析的 种身管外壁面应变变化规律可知每发弹造成相同的应变减小量的假定是不符合实际的真实的情况应该是在身管寿命的前期身管外壁面应变减小量小于身管寿命后期的相应值也就是说折线 或曲线 较为合理 由于火药燃气压力和弹炮相互作用随着射弹发数增加均呈不断减弱趋势因此曲线 表示的应变演化规律更接近实际 验证实例.实弹射击验证实例:文献给出了美 型 榴弹炮从实弹射击的第 发弹开始每隔约 发弹测量一次一直到 发弹为止共 组内膛磨损量实测数据 美军规定该型火炮身管在膛线起始部的内径增大量达到.时报废即其寿命为 发 由图 可知每 发弹造成的内径增大量 呈减小趋势换句话说因为内径增大导致弹炮相互作用减弱每发弹磨损掉的身管表层金属也逐渐减少不如刚开始弹炮过盈量大弹带对身管内膛的机械作用强因而内膛表层金属磨损量大 这个事实间接表明了身管外壁面应变随射弹发数增加而不断减小与前述的理论分析一致 美 型 榴弹炮身管在内径增大量达到.时报废此时其阳线增大到.仍比阴线直径小 这表明当身管报废时阳线并没有完全磨损掉弹带与阳线的单边过盈量由最初的.减小为.因此图()和图()的情况在火炮工程实践中不会发生 此外阴线在弹丸发射过程中也会磨损其与弹带的单边过盈量也会由最初的.不断减小 所以弹丸弹带与身管内膛阴、阳线相互作用的减弱引起身管外壁面应变也不断降低 另外身管断面不均匀磨损导致弹炮间配合出现间隙并不断增大都会导致火药燃气泄漏并引起膛压下降这也引起身管外壁面应变减小 这 种效应的叠加导致了身管外壁面应变在身管寿命周期中呈不断减小趋势图 身管内膛磨损量与射弹发数的实测数据对应关系.实例:文献研究某型 火炮实弹射击过程中弹炮的相互作用沿身管轴向每隔 在身管外壁面粘贴 片电阻应变片其中 片用于测量周向应变、片用于测量轴向应变且测量周向应变的 片应变片按 对称布置 图 所示为该型火炮 发弹射击过程中每隔约 发弹实测的身管外壁面应变与射弹发数的关系 从图 中可知尽管实测的应变数据有一定的分散性但身管外壁面的实测应变从最初新身管的约 逐渐下降至 发弹发射后的 左右 该文中指出对所有测试的新身管弹丸发射时弹带与身管相互作用引起的应变是最高的随着射弹发数的增加即身管磨损量的增大弹带作用于身管内膛引起的身管外壁面应变呈下降趋势 图 直接证实了本文中提出的基于应变的身管健康监测方法的科学性、可行性和实用性图 身管外壁面应变与射弹发数的关系.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./实例:文献基于某大口径火炮实弹射击过程中实测的膛线起始部径向磨损量的 组数据建立了其与射弹发数之间的幂函数关系如图 所示 由图 可知径向磨损量()上升的趋势随射弹发数的增加逐渐变缓如同实例 一样该事实间接表明弹丸弹带对身管内膛的机械作用随着身管内膛磨损量的增加而不断减弱故因该作用引起的身管外壁面应变也相应降低图 某大口径火炮身管径向磨损量与射弹发数的关系.典型状态数值模拟验证.弹带完全挤入坡膛时外壁面应变分析通过 软件建立身管、弹带、弹体相接触的简化模型 对身管和弹带采用结构化网格划分方法设定弹带单元尺寸为 身管内膛线单元尺寸为 其余结构网格单元尺寸为 最终划分好的有限元模型如图 所示 该模型网格节点数为 网格单元数为 图 弹丸弹带与身管有限元模型.不同结构所用材料参数如表 所示身管模型两端施加远端位移约束限制其刚性位移和周向旋转 弹丸与弹带之间定义绑定接触身管与弹带之间定义摩擦接触通过对接触属性 设定不同的 值来模拟身管 弹带不同的过盈量大小表 材料参数 参数密度/()弹性模量/泊松比屈服强度/身管.弹带.弹体.除了过盈载荷身管内膛表面、弹丸弹底及弹带与火药燃气接触的区域还受到燃气压力载荷作用施加的火药燃气压力载荷边界条件如图 所示图 火药燃气压力载荷边界条件.前面提到随着射弹的增加内膛磨损使膛径增大过盈量呈逐渐减小趋势因此仿真计算时首先假定火药燃气压力大小不变()仅改变身管 弹带之间的过盈量大小以此来模拟内膛磨损导致的过盈量变小对身管外壁面应变的影响 通过计算得到不同过盈量下身管外壁面不同节点位置应变如图()所示其中节点 位于外壁面距身管 弹带接触区域较近的位置节点 距身管 弹带接触区域相对较远 从图中可以看出随着接触过盈量的减小身管外壁面 个节点位置的应变都相应地在减小二者近似呈线性关系 节点 在不同过盈量时应变变化更加明显选择该位置作为应变测量点会比节点 位置更加合理后面均以节点 为例进行讨论 作为参照过盈量最小设定为 时意味着仿真计算时只考虑了火药燃气压力的作用此时的应变均为最小 燃气压力在节点 位置产生的应变仅为.当过盈量由 增加到 时该节点所在位置的应变由.大幅增加到 .说明身管 弹带之间的过盈接触使身管外壁面某些位置产生的应变较燃气压力作用更为显著 虽然不同过盈量时身管应变大小不同但是应变分布基本相同图()给出了火药燃气压力 、过盈量 时身管的应变云图 从图 中可以看出身管内壁面与火药燃气直接接触其应变要明显大于身管外壁面应变最大值出现在身管与弹带发生过盈接触的区域且该接触区域的右侧应变值大于左侧说明弹带挤进坡膛过程中最先发吴 斌等:基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究生过盈接触的前端受力要大于后侧图 身管外壁面应变与过盈量的关系.以上计算考虑了内膛磨损导致的过盈量变化对身管外壁面应变的影响火药燃气压力()保持不变 但在实际发射过程中身管内膛表面、弹丸弹底及其他与火药燃气接触的区域受到的压力载荷也会因某些因素(如装药量不同、坡膛磨损导致药室容积增大等)的影响而发生变化为研究火药燃气压力变化对身管外壁面应变的影响计算时保持过盈量(.)不变得到身管外壁面应变随火药燃气压力的变化情况如图 所示 从图中可以看出身管外壁面应变随着燃气压力的降低而减小近似呈线性关系作为对照计算了燃气压力为即仅考虑身管弹带过盈接触(过盈量.)时 个节点位置处的应变大小 燃气压力为 时 节点位置应变大小为 .燃气压力为 时该位置应变大小 .约增加了 与图 ()相对比当过盈量从 增加到 该节点所在位置的应变由.大幅增加到.(约增加了.倍)因此对于该节点位置而言身管 弹带之间过盈接触对应变的影响要大于燃气压力的作用效果通过传感器测量该位置的应变更能反映接触部位过盈量的变化进而了解身管磨损情况 图 为燃气压力为、过盈量为.时身管应变分布云图 从图 中可以看出 节点位置应变大小为 .而内表面最大应变达到 身管内表面与弹带接触区域应变明显大于身管外壁面以及其他位置 火药燃气压力不为 时身管外壁面应变分布情况均与图()类似限于篇幅这里不再重复给出图 身管外壁面应变与燃气压力的关系.图 仅考虑过盈接触时身管应变.综上所述弹带完全挤入坡膛时身管外壁面应变与身管 弹带之间的过盈接触以及火药燃气压力大小有关仿真计算结果表明燃气压力恒定时身管外壁面应变大小随身管 弹带之间过盈量减小而减小而过盈量恒定时身管外壁面应变大小随燃气压力降低而减小外壁面应变大小与上述 因素之间均近似呈线性关系.弹带完全挤入膛线时外壁面应变分析基于应变进行身管寿命评估确定身管达到报废条件时的应变阈值至关重要 当弹带完全挤入膛线时身管外壁面的应变取决于二者之间的过盈量 根据验证实例 美军规定该型火炮身管在膛线起始部的内径增大量达到.时报废其阳线增大到.弹带与阳线的单边过盈量由最初的.减小为.阴线在弹丸发射过程中也会磨损 其与弹带的单边过盈量也会由最初的.不断减小下面据此计算身管报废时外壁面应变阈值由于阴线磨损量相对阳线来说比较小因此模拟计算时假定身管阴线与弹带的过盈量保持不变同时火药燃气压力大小为 也保持不变 通过对接触属性 设定不同的 值来模拟身管膛线 弹带不同的过盈量大小计算得到单边过盈量最大时(.)身管应变分布如图 所示 可以看出内膛阳线应力值较大其他部位应变较小主要是由于膛线与弹带过盈接触造成兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 过盈量.时身管应变分布.计算得到身管外壁面 节点、节点位置应变大小随过盈量变化的曲线如图 所示 需说明的是节点位置与前面分析提到的节点位置相对应由于弹丸弹带位置移动导致模型网格重新划分节点编号随之也发生变化图 身管外壁面应变与过盈量的关系.从图 可以看出随着射弹次数增加以及身管膛线磨损身管膛线与弹带之间过盈量逐渐减小两节点位置处的应变都呈现变小的趋势由于 节点位置距离过盈接触位置较近其应变变化幅值远大于 节点位置当弹带初次完全挤入膛线时外壁面 节点位置处应变最大为 .随着射弹次数增加以及身管膛线磨损身管膛线与弹带之间过盈量逐渐减小至报废时弹带与阳线的单边过盈量减小为.外壁面 节点处应变最小降为 如果基于外壁面该节点应变对身管寿命进行评估按照前述美军火炮身管报废条件膛线起始部内径增大量达到.时对应的外壁面应变值(.)即为身管达到报废条件的应变阈值 结论火炮发射时烧蚀磨损和疲劳造成身管损伤并致其寿命终止甚至危及发射安全性 身管健康监测是确保火炮安全服役的重要手段 主要结论如下:)全面分析了传统基于尺寸、图像、温度和初速变化等身管剩余寿命评估方法的原理深入阐述了这些方法存在的缺陷和不足)提出了基于应变的身管健康监测和剩余使用寿命评估新方法以发射过程中身管外壁面应变为损伤特征参数探究了身管外壁面应变与弹丸 身管 发射药系统之间的内在映射关系)通过实例验证和数值模拟可以看出以应变作为身管损伤状态特征参数通过监测火炮发射过程中身管外壁面应变的变化规律来评估身管健康状况进而预测身管剩余寿命是现实可行的可以为火炮身管健康状况评估和剩余使用寿命预测提供一种更加新颖、科学和简便的方法参考文献:张喜发卢兴华.火炮烧蚀内弹道学.北京:国防工业出版.:.:.毛保全赵其进白向华等.火炮身管延寿技术研究现状与展望.兵工学报():.():.许耀峰单春来刘朋科等.火炮身管寿终机理及寿命预测方法研究综述.火炮发射与控制学报():.():.芮筱亭冯宾宾王燕等.发射装药发射安全性评定方法研究.兵工学报():.():.王韫泽王树山魏平亮等.穿甲弹异物阻滞膛炸机理数值仿真分析.兵工学报():.():.丁树奎张领科丁旭冉等.基于高动态粒子冲蚀的火吴 斌等:基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究炮身管寿命研究.弹道学报():.():.:.:.朱建杰郑立评曹营修等.火炮身管内径测量现状及发展趋势.兵器装备工程学报():.():.李凯周诗超温鹏等.基于磁散射的线膛炮内表面磨损检测技术.兵工学报():.():.:.路卓江剑.火炮身管内膛表面疵病检测系统的设计与研究.兵器装备工程学报():.():.().:.():.():.刘欢刘朋科宁变芳等.火炮不同膛线结构与弹带作用力研究.兵器装备工程学报():.():.科学编辑 王浩伟 博士(北京航空航天大学 副研究员)责任编辑 胡君德(上接第 页)陈皓.倾转旋翼机过渡模式下非定常气动力数值模拟.南京:南京航空航天大学.:.左卓叶子青肖斯奇等.某型无人倾转旋翼机过渡轨迹设计技术研究.机械制造与自动化():.():./.():.:.高正陈仁良.直升机飞行动力学.北京:科学出版社:.:.:./.科学编辑 何诚 博士(南京森林警察学院 研究员)责任编辑 胡君德兵 器 装 备 工 程 学 报:/./