[发明专利]一种身管坡膛结构优化设计方法

说明书

本发明提出了一种身管坡膛结构优化设计方法，涉及结构优化设计领域，根据身管坡膛实际结构，在有限元软件中建立线膛身管弹炮耦合有限元挤进模型，以弹丸挤进过程耗散功率最大值综合评价指标最小为优化目标，以坡膛锥度为优化变量，建立坡膛结构优化数学模型，进行坡膛结构的优化设计。本发明原理清晰，采用该方法有效解决了身管坡膛结构优化最优值问题，为身管坡膛结构设计提供了参考。

技术领域

本发明属于身管结构优化设计领域，特别是一种身管坡膛结构优化设计方法。

背景技术

弹带挤进膛线过程是在高温、高压火药气体的推动作用下，与坡膛及膛线发生挤压碰撞，产生弹性变形，继而发生塑性变形，最后被膛线侵彻的一个复杂非线性的力学过程。弹带挤进膛线时期，坡膛受到弹带巨大的冲击载荷，极易产生磨损，造成疲劳破坏，坡膛结构直接影响挤进过程的力学特性。对于定装式炮弹挤进膛线过程，坡膛锥度越大，弹带嵌入膛线过程所经历的距离越短，弹丸定位点变化越小，弹道性能越稳定。但因弹带切入膛线速度过快，单位长度变形功大，温升高，会加剧坡膛的磨损，小锥度坡膛结构情况则正好相反。火炮连发射击时，高温火药燃气对内膛的交变作用使得身管不能完全冷却，相应的温度分布会作为下一发的初始环境温度，多发射击后，炮膛内的温度甚至接近炮钢的熔点温度，在这种临界状态下，微小的温度变化就会导致身管内膛部分位置的材料物相状态发生改变。由机械摩擦和塑性变形产生的耗散能大多以热能散失，且单位时间产生的热量越多，积聚在内膛中的温度越不容易在短时间内耗散，连续射击时，坡膛处受到弹带摩擦和弹带自身变形产生的交变热应力作用，导致内膛更易产生疲劳破坏。因此降低最大摩擦耗散功率与最大塑性变形功率有利于提高身管寿命。坡膛结构与身管寿命有很大关系，合理的坡膛结构对减小坡膛磨损、提高身管寿命具有重要意义。

目前火炮身管的坡膛结构主要依靠经验来进行设计确定，缺乏行之有效的数学模型和设计方法。优化设计出合理的坡膛结构，对改善身管受力状况、提高身管寿命具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种身管坡膛结构的优化设计方法，以弹丸挤进过程耗散功率综合评价指标最小为优化目标，通过建立坡膛优化数学模型，实现坡膛结构优化设计，为身管坡膛结构设计提供一定的参考。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种身管坡膛结构优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1，在有限元软件ABAQUS中建立弹炮耦合有限元挤进模型；

步骤2，更改坡膛锥度，建立不同坡膛锥度的有限元挤进模型；

步骤3，使用Fortran程序语言编写挤进过程摩擦子程序，将摩擦子程序集成在有限元软件ABAQUS中的Explicit模块中；

步骤4，分别对步骤2中的不同有限元模型进行数值仿真，通过软件后处理模块提取出不同坡膛锥度挤进过程各能量组分、摩擦耗散功率与塑性变形功率数据；

步骤5，提取出步骤4中摩擦耗散功率与塑性变形功率最大值，建立耗散功率评价函数；

步骤6，以耗散功率评价函数最小为优化目标，以坡膛锥度取值为约束条件，建立坡膛优化数学模型，采用优化算法对优化目标进行寻优；

步骤7，将优化得到的坡膛锥度进行取整，得到最优坡膛结构。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明从弹丸挤进过程能量耗散角度出发对坡膛结构进行了优化设计，建立了坡膛优化数学模型，可为身管坡膛结构设计提供一定的参考。通过建立身管坡膛优化数学模型，首次提出以能量耗散功率为优化目标对坡膛结构进行优化设计。

(2)优化模型建立过程简单快捷，采用少量数值仿真模型得出的数据即可建立出优化数学模型。