發射筒熱力耦合場下力學性能研究

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

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

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

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

1 發射筒靜力學分析

1.1 發射筒有限元模型建立

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

發射筒結構為圓筒狀結構，為了便于劃分有限元網格，在建立有限元模型時，對三維結構進行適當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，施加預緊力，等效為實體螺栓對發射筒上下段的作用。

采用 Ansys Workbench 前處理發射筒[2–3]，由于發射筒上開有大小不同、位置不一的孔，發射筒結構為3D非對稱的筒狀結構，建立有限元模型時劃分的網格采用帶中間節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格加密處理。劃分后的發射筒有限元模型如圖2所示，共劃分了178 193個節點，85 974個網格。

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

1.2 發射筒靜力學分析

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

1.3 有限元仿真結果分析

Ansys Workbench仿真分析得到的發射筒在工質氣體壓力和機械結構載荷作用下的變形和應力分布情況如圖3和圖4所示。

由分析結果，在發射工質氣體壓力和機械結構載荷作用下，發射筒筒底中心位置處出現較大變形和應力集中，變形最大可達1.5 mm，應力127 MPa。在高速發射時，壓力變大，會在該處出現更大變形。

2 溫度場下發射筒仿真

2.1 熱結構分析模型

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

由于溫度場的作用，發射工況時發射筒內部存在機械應力與熱應力2種[8]。發射筒結構小變形假設滿足線性疊加原理，此時發射筒應力可表示為：

發射筒應變可以寫成：

式中：為應力分量；為發射筒應變分量；為發射筒的剛度系數；為發射筒柔度系數；為發射筒熱模量；熱膨脹系數。

2.2 溫度場仿真分析結果

由Ansys Workbench仿真分析得到的發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，溫度最高出現在筒底段內腔，達到115 ℃。低壓腔溫度達到30 ℃左右，符合施加的邊界條件。

發射筒僅在溫度載荷作用下時的變形77倍放大圖及應力分布，如圖6和圖7所示。從計算結果可以看出，發射筒在溫度載荷作用下出現了較大形變，變形最大處位于發射筒頂部區域，變形為3.5 mm。發射筒筒底段出現應力集中現象，應力較大，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態熱分析模塊和靜力結構模塊，用來分析熱應力對結構的影響，如熱變形等。熱力耦合仿真流程如圖8所示。

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

由分析結果可以看出，發射筒在熱力耦合場作用下，發射筒筒底段底部圓弧面和筒體段上法蘭區域處變形較大，筒底段圓弧面最大變形4.23 mm。應力集中出現在筒底段，除下法蘭外，筒底段圓弧面最大變形處也出現應力集中現象。

4 結 語

1）通過Ansys Workbench仿真軟件的前處理優化了發射筒三維結構模型，建立了縮比發射筒仿真模型。

2）通過發射筒靜力學分析得出，發射筒在僅受氣壓和機械機構載荷作用時，發射筒筒底段中心位置有1.5 mm 變形，應力達 127 MPa。

3）通過發射筒溫度場分析得出，在發射過程中，高溫高壓氣體推動導彈出筒，在此期間發射筒內溫度呈階梯分布，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。在熱應力作用下，發射筒在筒體段上法蘭區域處有3.5 mm變形，筒底段應力集中可達317 MPa

4）熱力耦合場仿真結果可為發射筒設計提供參考，由分析結果得出，發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4.23 mm，應力384 MPa。設計時可在筒底段圓弧面加井字形筋板，增大發射筒底段強度和剛度，有效抵御變形。

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

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