發(fā)射筒熱力耦合場下力學(xué)性能研究

郭敬彬，程 棟，劉 濤，胡會朋，薛瑞娟

(1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

發(fā)射筒是潛載導(dǎo)彈發(fā)射裝置的重要組成部分，是潛載導(dǎo)彈發(fā)射裝置各機構(gòu)及設(shè)備的安裝基體，發(fā)射筒與筒蓋系統(tǒng)組成用于貯存導(dǎo)彈的密閉空間；同時，在發(fā)射導(dǎo)彈時，發(fā)射筒不僅承擔(dān)著彈的導(dǎo)向作用，而且還要受到高溫、高壓、高速的燃蒸汽混合工質(zhì)氣體的沖刷[1]。

發(fā)射筒工作條件較惡劣，為保證發(fā)射裝置系統(tǒng)能安全可靠的工作，需要發(fā)射筒要有足夠的剛度，以承受由于高溫環(huán)境及氣體壓力所導(dǎo)致的變形，要有足夠的強度以承受氣體的壓力，以往發(fā)射筒的設(shè)計主要以薄膜理論為基礎(chǔ)，通過強度理論計算對發(fā)射筒壁厚和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和校核，很少考慮高溫氣體帶來的溫度載荷影響。發(fā)射工況時發(fā)射筒瞬態(tài)溫度變化明顯，瞬態(tài)應(yīng)力值會對發(fā)射筒產(chǎn)生變形甚至破壞，除去安全性考慮，需要確定發(fā)射筒溫度場及溫度應(yīng)力，為滿足發(fā)射筒不同狀態(tài)下的發(fā)射需求。需要建立模型對發(fā)射筒進(jìn)行熱力耦合場下仿真分析。

本文根據(jù)縮比試驗裝置建立的三維模型，采用有限元分析軟件對發(fā)射筒在壓力和結(jié)構(gòu)載荷靜力場下，發(fā)射筒在熱應(yīng)力溫度場下，以及發(fā)射筒熱力耦合場下進(jìn)行分析，得出發(fā)射筒在3種不同工況下應(yīng)力應(yīng)變情況，來分析發(fā)射筒在發(fā)射工況下的變形與應(yīng)力分布情況，并研究溫度載荷對結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的影響。為后續(xù)發(fā)射筒的設(shè)計提供理論支撐及仿真依據(jù)。

1 發(fā)射筒靜力學(xué)分析

1.1 發(fā)射筒有限元模型建立

發(fā)射筒三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，此發(fā)射筒為單筒結(jié)構(gòu)，主要由筒體段、筒底段和法蘭組成。發(fā)射筒在發(fā)射工況時，筒底段下法蘭與艇模擬安裝平臺通過螺栓聯(lián)接固定。

發(fā)射筒結(jié)構(gòu)為圓筒狀結(jié)構(gòu)，為了便于劃分有限元網(wǎng)格，在建立有限元模型時，對三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)合理的簡化與分割處理。筒主體段與筒底段以及筒底段與安裝平臺間分別通過32與36個螺栓連接，在本分析中，螺栓不是重點關(guān)注對象，在workbench中將螺栓等效為圓截面的梁單元，梁單元兩端分別與筒底段與筒體段綁定，施加預(yù)緊力，等效為實體螺栓對發(fā)射筒上下段的作用。

采用 Ansys Workbench 前處理發(fā)射筒[2–3]，由于發(fā)射筒上開有大小不同、位置不一的孔，發(fā)射筒結(jié)構(gòu)為3D非對稱的筒狀結(jié)構(gòu)，建立有限元模型時劃分的網(wǎng)格采用帶中間節(jié)點的高階空間四面體單元。在筒體段下法蘭與筒底段上法蘭接觸面處做網(wǎng)格加密處理。劃分后的發(fā)射筒有限元模型如圖2所示，共劃分了178 193個節(jié)點，85 974個網(wǎng)格。

發(fā)射筒在發(fā)射工況時主要承受機械載荷，壓力載荷和溫度載荷。發(fā)射筒要滿足各種發(fā)射工況下的壓力和溫度承載，筒底段發(fā)射壓力相對值1 MPa，筒體段相對值0.03～0.8 MPa；根據(jù)低速發(fā)射時的實驗數(shù)據(jù)，筒底段溫度116 ℃，筒體段導(dǎo)彈出筒前不同段溫度值在 29 ℃～115 ℃。

1.2 發(fā)射筒靜力學(xué)分析

對于本發(fā)射筒所采用的材料，通過柯克霍夫應(yīng)力張量以及格林應(yīng)變張量可以來表達(dá)發(fā)射筒的靜力狀態(tài)，滿足的關(guān)系式如下：式中：為張量的不變量，w為發(fā)射筒應(yīng)變能量密度函數(shù)[4]，由分析所用的材料模型，推導(dǎo)出發(fā)射筒材料主應(yīng)力和主伸長之間關(guān)系如下[5]：

1.3 有限元仿真結(jié)果分析

Ansys Workbench仿真分析得到的發(fā)射筒在工質(zhì)氣體壓力和機械結(jié)構(gòu)載荷作用下的變形和應(yīng)力分布情況如圖3和圖4所示。

由分析結(jié)果，在發(fā)射工質(zhì)氣體壓力和機械結(jié)構(gòu)載荷作用下，發(fā)射筒筒底中心位置處出現(xiàn)較大變形和應(yīng)力集中，變形最大可達(dá)1.5 mm，應(yīng)力127 MPa。在高速發(fā)射時，壓力變大，會在該處出現(xiàn)更大變形。

2 溫度場下發(fā)射筒仿真

2.1 熱結(jié)構(gòu)分析模型

發(fā)射筒在發(fā)射工況時，不同段間溫度不同，從而在發(fā)射筒內(nèi)部存在溫度梯度，由于材料在不同溫度時熱膨脹系數(shù)不同，從而溫度的階梯變化必然會導(dǎo)致發(fā)射筒不同段的膨脹或者收縮，發(fā)射時發(fā)射筒底段下法蘭與模擬平臺固定，發(fā)射筒內(nèi)部自由變形會受到抑制，為了抵御這種變形發(fā)射筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生熱應(yīng)力[6–7]。

由于溫度場的作用，發(fā)射工況時發(fā)射筒內(nèi)部存在機械應(yīng)力與熱應(yīng)力2種[8]。發(fā)射筒結(jié)構(gòu)小變形假設(shè)滿足線性疊加原理，此時發(fā)射筒應(yīng)力可表示為：

發(fā)射筒應(yīng)變可以寫成：

式中：為應(yīng)力分量；為發(fā)射筒應(yīng)變分量；為發(fā)射筒的剛度系數(shù)；為發(fā)射筒柔度系數(shù)；為發(fā)射筒熱模量；熱膨脹系數(shù)。

2.2 溫度場仿真分析結(jié)果

由Ansys Workbench仿真分析得到的發(fā)射筒溫度場分布情況圖5所示，可以看出溫度分布從筒底段到筒體段從下到上依次遞減，溫度最高出現(xiàn)在筒底段內(nèi)腔，達(dá)到115 ℃。低壓腔溫度達(dá)到30 ℃左右，符合施加的邊界條件。

發(fā)射筒僅在溫度載荷作用下時的變形77倍放大圖及應(yīng)力分布，如圖6和圖7所示。從計算結(jié)果可以看出，發(fā)射筒在溫度載荷作用下出現(xiàn)了較大形變，變形最大處位于發(fā)射筒頂部區(qū)域，變形為3.5 mm。發(fā)射筒筒底段出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力較大，最大處有317 MPa。

3 熱力耦合場仿真分析

軟件中熱力耦合分析包括穩(wěn)態(tài)熱分析模塊和靜力結(jié)構(gòu)模塊，用來分析熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響，如熱變形等。熱力耦合仿真流程如圖8所示。

發(fā)射筒在氣壓、機械載荷和溫度載荷的作用下變形和應(yīng)力分布情況如圖9和圖10所示。

由分析結(jié)果可以看出，發(fā)射筒在熱力耦合場作用下，發(fā)射筒筒底段底部圓弧面和筒體段上法蘭區(qū)域處變形較大，筒底段圓弧面最大變形4.23 mm。應(yīng)力集中出現(xiàn)在筒底段，除下法蘭外，筒底段圓弧面最大變形處也出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

1）通過Ansys Workbench仿真軟件的前處理優(yōu)化了發(fā)射筒三維結(jié)構(gòu)模型，建立了縮比發(fā)射筒仿真模型。

2）通過發(fā)射筒靜力學(xué)分析得出，發(fā)射筒在僅受氣壓和機械機構(gòu)載荷作用時，發(fā)射筒筒底段中心位置有1.5 mm 變形，應(yīng)力達(dá) 127 MPa。

3）通過發(fā)射筒溫度場分析得出，在發(fā)射過程中，高溫高壓氣體推動導(dǎo)彈出筒，在此期間發(fā)射筒內(nèi)溫度呈階梯分布，溫度由筒底段至筒體段上法蘭由115 ℃到29 ℃依次遞減，與實際情況相符。在熱應(yīng)力作用下，發(fā)射筒在筒體段上法蘭區(qū)域處有3.5 mm變形，筒底段應(yīng)力集中可達(dá)317 MPa

4）熱力耦合場仿真結(jié)果可為發(fā)射筒設(shè)計提供參考，由分析結(jié)果得出，發(fā)射筒在筒底段圓弧面中心位置處變形較大，最大變形量可達(dá)4.23 mm，應(yīng)力384 MPa。設(shè)計時可在筒底段圓弧面加井字形筋板，增大發(fā)射筒底段強度和剛度，有效抵御變形。

5）由3種工況下發(fā)射筒變形結(jié)果可以看出，溫度載荷是影響發(fā)射筒應(yīng)力應(yīng)變的主要因素，在發(fā)射筒設(shè)計的時候要結(jié)合試驗,綜合考慮溫度載荷帶來的影響。

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