基于3D打印的消音器快速設計技術研究

張魏友 毛慶龍 楊志遠

Research on Rapid Design Technology of Muffler Based on 3D Printing

ZHANG Wei-you MAO Qing-long? YANG Zhi-yuan

摘要：本文開展消音器快速設計研究。首先，開展某型槍用消音器膛口流場的仿真分析與計算，經后處理分析，獲得膛口流場速度與膛口壓力分布云圖，通過分析獲得膛口噪音分貝值;其次，進行3D打印工藝適應性研究，采用TC4粉末完成消音器快速激光成型;最后，功能性試驗驗證結果表明，3D打印消音器降噪仿真與實彈射擊試驗結果是一致的。

Abstract： This paper studies the rapid design of muffler. Firstly， the muffler muzzle flow field is simulated based on CFD， and the velocity and pressure distribution chart of muzzle flow field in aftereffect period is obtained. Secondly， the adaptability of 3D printing technology is studied， and the muffler is rapidly laser generated. Finally， the functional test results show that the noise reduction simulation of 3D print muffler is consistent with the firing test results of live ammunition.

關鍵詞：3D打印;消音器;流場;CFD

Key words： 3D printing;muffler;flow field;CFD

中圖分類號：E92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）32-0177-03

0? 引言

隨著科技發展，未來戰場環境將以城市作戰為主，敵我雙方都有較為完善的戰場監控設備，對于作戰人員的隱蔽問題提出更高的要求，輕武器安裝消音器的優勢體現在：①槍口聲音會變沉悶，起到保護聽力的作用，不易被對方發現;②槍口火焰會消失，便于射擊手隱藏;③槍口上跳減小，后坐力降低，射擊精度獲得提升。消音器體內結構復雜多樣（見圖1），但原理基本相同，都是將高溫高壓高速的火藥燃氣通過在消音器體內部改變氣流的方式，達到降噪的效果，只要射擊時聲音沉悶不刺耳，達到降低對方正確判斷位置的作用，將噪聲分貝下降到一定數值即可，圖2為ELITE公司的EL556消音器，結構采用渦流消音原理，內部結構及其復雜，造價昂貴，顯然不適合普遍配發，因此有必要基于3D打印技術對消音器開展快速設計與仿真制造技術的研究，對研發性價比高的消音器提供技術支撐。

1? 槍械膛口噪聲簡介

槍械膛口噪聲主要來源于槍管膛口氣流流場，當彈殼底火擊發后點燃發射藥，彈丸在高溫高膛壓作用下從槍管口部射出，火藥燃氣在膛口處形成激波[1]，膛口處沖擊波方程如下所示：

其中，Pmax為激波波峰值，t0為激波作用時間。

經傅里葉變換后，如下所示：

相對振幅的絕對值

2? 基于CFD的消音器膛口流場仿真分析

2.1 流體力學分析流程

CFD技術是利用計算機資源進行流體運動的包含多種偏微分守恒方程求解的技術，根據工程項目要求的不同，其求解算法和數值分析模型也不一致，大致分析過程如圖3所示。

CFD流體仿真分析可有效進行流體運動現象的仿真再現，通過改變模型相關參數，能準確預測流場作用性能特性等，計算效率較高，在實際項目計算過程中，有助于工程師發現問題，總結規律，快速有效地進行故障機理分析等。

2.2 計算模型及設置

某手槍消音器在ANSYS環境下創建有限元模型，ANSYS WORKBENCH 軟件可以提供多種網格劃分方法[2]，由于槍用消音器內部結構復雜，采取精細的四面體網格建立構件的模型，為了確保計算準確，選用fine劃分，網格模型如圖4所示，模擬槍口有效期流場。

在CFD模塊中設置超音速，主要是三方面：

①入口：設置為360m/s的進口速度，以及后效期彈道壓力，見圖5所示;

②出口：設置為supersonic出口;

③Wall型（壁面設置）：設置其他各面。

2.3 仿真結果分析

求解設置完成后，計算得出仿真結果如圖5-圖6所示，加載消音器后，膛口可達流速為686.4m/s，壓力為1.393e9MPa。

聲壓的大小一般不用絕對值表示，而用與基本量的比較值SPL（sound pressure level）表示，參考壓力Pref為2e-5Pa：

SPL=20log（10）[Pe/Pref]

計算可得：SPL=20log（10）（6.5e13）

查功率比與分貝數換算表1。

由于SPL值為6.5e13，屬于1013，前面數據為6.5，故為120～130db范圍。

3? 3D打印工藝適應性研究

槍械中的零部件大多工況惡劣，承受著高沖擊變載荷，某些零部件還要承受著火藥氣體產生的高溫高壓作用。因此，3D打印槍用材料的選用不僅要有利于快速、精確地加工原型零件，而且還要盡量滿足對強度、剛度、熱穩定性能等的要求。

槍械零部件激光成形過程中小熔池熔體在超高溫度梯度作用下的激光超常冶金過程復雜，研究其凝固形核與生長行為及其與成形工藝條件的關系，掌握凝固組織形成規律及控制技術，是后續熱處理工藝和構件性能優化的基礎。長時間往復逐道掃描、逐層沉積工藝特點，導致激光成形構件內部缺陷的形成原因較為特殊復雜、控制難度較大，掌握槍械零部件內部缺陷特征、形成機理及其控制方法，是獲得高性能槍械零部件的關鍵要素之一。熱處理是調節材料組織性能的有效手段之一，獨特的激光沉積態組織特征，為后續熱處理工藝與顯微組織優化提供了空間，同時為激光成形槍械零部件性能優化提供了一條有效途徑，因此，熱處理工藝與顯微組織優化技術是改善和提高激光成形槍械零部件性能的關鍵。

消音器體零件，外形結構簡單，內部結構復雜（圖7），內部大量懸空結構是成形難點之一。采用激光選區熔化制造工藝，可實現消音器體零件的一體制造，且制造周期短、材料利用率高。零件的試制工作流程如圖8所示，在零件結構分析的基礎上進行零件成形方案設計，并根據零件設計要求完成加工余量和工藝支撐結構設計后，進行零件選區熔化成形試驗，并根據成形情況進行工藝方案優化設計。

綜合考慮消音器體零件激光選區熔化成形和機械加工工藝性，設計零件成形方案如圖9所示。根據零件的設計圖紙，零件的上部需要加工出螺紋。由于該零件屬于薄壁類零件，機械加工進行夾持時，直接夾持零件本體，容易造成變形，故在零件底端增加工藝凸臺，方便機械加工時裝夾，機械加工完成后，將該工藝凸臺切除。

經3D打印后，實際產品如圖10所示。

4? 試驗驗證

對消音器3D打印驗證件進行局部機械加工，滿足零件設計要求后，按照相關試驗標準及大綱要求，在某微聲手槍上安裝3D打印消音器驗證件，進行槍口噪聲測試，測試儀器距離槍口3m處，射擊10發，取平均值，試驗結果顯示，采用3D打印消音器時，測得噪聲為122dB，與仿真結果基本一致。

5? 結論

本文以槍械消音器為對象，闡述了噪聲的來源，進行了槍械膛口流場仿真計算，在3D工藝適應性研究的基礎上，采用TC4材料進行消音器快速激光成型，并對3D試驗件進行噪聲試驗，說明仿真結果與實際3D試驗件的一致性，為消音器等輕武器附件產品進行快速設計提供方案思路。

參考文獻：

[1]馬大猷著.現代聲學理論基礎[M].科學出版社，2004：64-66.

[2]許進峰著.ANSYS Workbench15.0完全自學一本通[M].電子工業出版社，2016，09：271-275.

[3]王志杰.汽車消聲器聲學性能仿真分析與優化[J].價值工程，2018，37（08）：171-174.

作者簡介：張魏友（1988-），男，江蘇南通人，工程師，碩士，研究方向為CAE仿真。