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隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代飛行器的飛行速度和作戰(zhàn)性能越來越優(yōu)越，這就對防空武器的機動性、射頻和射速提出了更高的要求，因此對于火炮的身管強度和散熱性能的要求也就越來越嚴格。由火炮身管設計理論可知，在保證身管內(nèi)徑要求的情況下，可以通過提高身管外徑或改進身管結構來提高其散熱性能和強度。傳統(tǒng)身管是一個圓環(huán)形的截面，為了提高其強度及散熱性能，采用星形身管來滿足此要求。本文就以某現(xiàn)有高炮身管為例，采用ANSYSWorkbench軟件，對傳統(tǒng)和星形兩種身管進行結構FEA強度分析。
本次分析中主要考慮身管，因此省略其他相關結構。先對傳統(tǒng)身管進行強度分析，然后改進結構，對星形身管進行強度分析。圖為傳統(tǒng)身管與星形截面身管對比圖。
根據(jù)身管的實際模型和受力情況，對兩種身管的計算模型做如下假設和簡化：
(1)在彈丸發(fā)射過程中，身管受到很大的火藥燃氣沖擊力，彈丸本身質(zhì)量對其影響較小，故忽略彈丸質(zhì)量。
(2)身管藥室部外被筒約束，火藥燃氣沖擊力對其影響大大減小，故施加約束為無摩擦的支撐約束，定義身管底端位移為。。
(3)兩種身管均為三維軸對稱，同時受到軸對稱膛壓的作用，因此將模型簡化為二維軸對稱模型。
在傳統(tǒng)的身管分析中，人們往往將最大膛壓施加到身管內(nèi)壁上，這樣不但不符合實際，而且造成了所分析的身管重量偏大。實際上，身管內(nèi)壁所受的壓力是隨時間的變化而變化的。因此，對于本文中的兩種身管，進行有限元分析時必須考慮到不同時刻身管內(nèi)壁的受力各不相同。
在火炮發(fā)射過程中，火炮藥室部自始至終都承受膛壓的作用，其壓力曲線為一個完整的內(nèi)彈道p-t曲線。在火炮發(fā)射過程中，隨著彈丸的向前運動，位于彈丸前部的區(qū)域由于沒有火藥氣體的作用，故沒有受到膛壓的作用，而彈丸后端的身管則受到了火炮膛壓的作用。由于不同時刻和不同位置身管受到的膛壓不同，本文將身管內(nèi)壁分成20段。
對模型施加載荷及約束，劃分網(wǎng)格后計算。
對于傳統(tǒng)身管，其質(zhì)量為284.4kg。結果顯示身管的最大應力發(fā)生在t=3.11X10時，大小為641.83Mpa；炮口處壓力為Wz=276.5MPa，發(fā)生在tlz=6.94X10時。傳統(tǒng)身管的分析結果見圖。
該高炮身管材料為40Cr，其強度極限為980Mpa，因此該身管安全系數(shù)為n=980/641.83=1.53；炮口處安全系數(shù)為nz=980/276.5=3.54。由于火炮身管安全系數(shù)最低值的范圍是：藥室和彈丸導向部為1.2-1.3，炮口部為2.0-2.5。可見傳統(tǒng)身管超出其安全范圍。據(jù)此對星形身管進行設計并校核其強度。
計算結果顯示，星形身管的最大壓力發(fā)生均符合要求。其質(zhì)量為263.4kg，可見在保證身管強度的同時，達到了減輕重量的目的。
在充分考慮身管膛壁壓力的情況下，分別對傳統(tǒng)身管和星形身管進行了有限元分析。在保證身管強度的情況下，改進身管結構，達到火炮的戰(zhàn)地要求。同時，為火炮身管及其他結構的計算提供了一種新的計算方法。
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