計數器夾具熱仿真優化分析與試驗研究

薛汝東 徐勝軻 梅景放

（南京模擬技術研究所，南京 210016）

1 引 言

結合槍支彈藥安全管理的實際需求，傳統的方式是射擊訓練完成后，通過收集彈殼的方式實現彈藥消耗的統計。該方法操作不便且數據不準，為解決這一問題，需要設計一款能夠準確自動計數的裝置，自動統計射擊情況。當前，通常采用在槍管上安裝計數器的方式對射擊情況進行自動記錄，以此快速準確地獲取實際彈藥消耗情況。為確保計數器安裝的穩定性及牢固性，計數器多采用金屬夾具與槍管之間實現接觸式固定，而步槍在連續射擊過程中會產生較大的熱量，并通過夾具傳導至計數器腔體內部，導致計數器腔體內部溫度過高，超出電器元件的溫度使用范圍，從而影響計數器電器元件的正常工作，故熱設計成為射擊計數器連續穩定工作的關鍵。

2 熱傳導原理分析

為保證計數器穩定可靠工作，且夾具能夠可靠穩定地固定于槍管上，多采用接觸式固定方式；既要確保夾具的結構強度同時又要兼顧計數器的重量要求，以盡可能減少對射擊效果的影響。為此，計數器腔體采用非金屬材料，夾具采用蜂窩式結構式設計，以最大程度地減小整體重量，具體的安裝示意圖如圖1所示。經實際測試，槍管在連續射擊過程中的溫度可達260℃，為確保計數器在260℃溫度及實彈射擊的沖擊下保持較好的強度及較小的形變，夾具采用金屬材料。

圖1 計數器安裝示意圖

溫度不同的同一物體的各部分之間，以及溫度不同的兩物體直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱能傳遞稱為熱傳導。傳熱是物體的固有本質（只要存在溫差），其依靠微觀粒子的無規則熱運動，同時，物體各部分不發生宏觀的位移[1—4]。根據熱傳導定律（傅里葉定律），熱能量與材料的導熱系數、物體導熱面積等因素直接相關。材料的導熱系數越大、導熱面積越大，物體的導熱性能越好。實際使用過程中，槍管的溫度通過接觸式夾具以熱傳導方式傳遞給計數器腔體，當計數器夾具的樣式確定后，夾具材料導熱系數的選定直接決定了夾具的導熱性能。

不同金屬及合金材料的導熱系數差距較大，約為10~500W/(m·℃)，其基本呈截斷正態分布狀態，其概率密度函數為：

式中，Φ（·）為標準正態分布的累積分布函數。

φ（·）是均值為0，方差為1的標準正態分布：

本文對常用金屬材料的導熱系數概率分布進行仿真分析，取a=10，b=500，u=200，σ=100，共生成 200 個樣本，該200個樣本的導熱系數概率分布如圖2所示。

圖2 常用金屬材料的導熱系數分布

3 計數器熱仿真優化分析

槍管溫度經過計數器夾具傳遞至計數器腔體內部，經過一段時間熱傳導后，計數器形成熱穩態，熱穩態時的溫度分布直接影響計數器電器元件的正常工作。計數器夾具采用不同的材料，其導熱系數不同，對應的計數器內部熱穩態的溫度也不相同[5—7]，為此，本文對計數器夾具熱穩態時的溫度分布情況進行了仿真分析。

通過三維設計軟件對計數器進行三維建模，并將計數器的基本模型導入ANSYS軟件中進行仿真分析，其中，設定槍管溫度恒定為260℃，夾具外表面空氣對流系數取10W/(m2·℃)，夾具內部的空氣對流系數取2W/(m2·℃)，計數器電器元件功率為0.225W，取不同的導熱系數對計數器進行穩態熱分析。圖3是一種典型的金屬材料鋁（牌號6061）作為夾具材料時計數器穩態溫度分布情況。

圖3 夾具為鋁（牌號6061）時的溫度分布

從圖3中可以看出，計數器穩態熱分布的基本情況，槍管處溫度最高，其次是夾具與槍管夾持處溫度較高，隨著距離槍管的距離增加，溫度逐漸降低，整個計數器形成熱穩態，穩態時計數器腔體內部溫度最低為135.7℃。進一步根據圖2中分析得到的200個金屬材料樣本點，取不同的導熱系數分別進行穩態熱分析，并分別記錄穩態時的計數器腔體內部溫度，將分析得到的結果進行統計，可得到計數器腔體內部穩態溫度隨夾具導熱系數的變化分布圖，如圖4所示。

圖4 計數器腔體溫度隨導熱系數變化分布圖

由圖4可以看出，隨著夾具材料導熱系數的增加，其計數器內部的穩態溫度也逐漸升高，且升高速度隨導熱系數的增加逐漸減緩。本文設計的計數器所選取的電子元器件的最大耐熱溫度為80℃，由圖4可以得出：為確保計數器正常工作，其夾具材料的導熱系數應滿足λ≤36W/(m·℃)。

2種常用金屬材料（牌號0Cr18Ni9的不銹鋼和牌號6061的鋁）的導熱系數分別為15.1W/(m·℃)和167W/(m·℃)，分析結果顯示：這2種金屬材料對應的計數器腔體內部穩態溫度分別為48.5℃和135.7℃。結合上述仿真分析結果可以看出，選用牌號0Cr18Ni9的不銹鋼作為夾具材料時能夠保證計數器電器元件正常工作。

4 計數器熱傳遞試驗

為對上述分析結果進行進一步驗證，本文對計數器的熱特性進行了試驗研究。分別采用牌號0Cr18Ni9的不銹鋼和牌號6061的鋁材作為計數器夾具制作計數器測試樣品。將制作好的計數器測試樣品安裝固定在模擬槍管上。通過加熱裝置對模擬槍管進行持續加熱，同時采用數字溫度計實時記錄槍管的溫度變化情況，將模擬槍管溫度加熱至260℃，并維持此溫度；在計數器腔體內部放置溫度傳感器，實時測量并記錄計數器腔體內部的溫度變化情況。

圖5、圖6分別是采用0Cr18Ni9不銹鋼和6061的鋁材質夾具時模擬槍管與計數器腔體內部的溫度變化曲線。從圖5可以看出，采用不銹鋼材質的夾具時，槍管從室溫16℃上升至260℃用時不到3min，此時計數器腔體內部溫度為21.4℃；隨后，在槍管溫度持續穩定在260℃左右的過程中，計數器腔體內部溫度繼續呈上升趨勢，在經過51min時達到極值50.8℃，之后一直穩定在50.8℃，達到溫度平衡；在60min后停止加熱。從圖6可以看出，采用6061鋁材質的夾具時，槍管溫度從室溫16℃上升至260℃用時不到3min，此時計數器腔體內部溫度為29.5℃；在槍管溫度持續穩定在260℃左右的過程中，計數器腔體內部溫度同樣繼續呈上升趨勢，在經過33min時達到極值127℃，之后一直穩定在127℃，達到溫度平衡；在60min后停止加熱。

圖5 采用0Cr18Ni9不銹鋼夾具時的溫度變化曲線

圖6 采用6061鋁夾具時的溫度變化曲線

為更好地將仿真結果與試驗結果進行分析對比，分別對采用0Cr18Ni9不銹鋼和6061的鋁材質夾具的計數器穩態熱仿真分析數據進行整理，將仿真過程中各時間點的溫度情況進行記錄并擬合，得到瞬態熱分析曲線，同時結合圖5、圖6中采用上述2種材料作為夾具時的實際溫度分布曲線進行擬合對比，其結果如圖7和圖8所示?？梢钥闯?仿真分析結果與實際試驗結果得到的溫度變化趨勢基本相同。從仿真分析結果可知，采用不銹鋼夾具時計數器腔體內部穩態溫度為48.5℃，而采用6061鋁夾具時計數器腔體內部穩態溫度為135.7℃；而實際實驗得到的結果顯示，采用不銹鋼夾具時計數器腔體內部溫度達到平衡時為50.8℃，而采用6061鋁夾具時計數器腔體內部溫度平衡時溫度為127℃?？梢钥闯?，仿真分析和實際實驗得到的數據基本吻合，仿真分析結果的合理性及準確性得到了較好的驗證。

圖7 采用0Cr18Ni9不銹鋼夾具時的瞬態熱分析曲線

圖8 采用6061鋁的夾具瞬態熱分析曲線

5 結 論

針對計數器夾具的熱特性，本文首先分析了夾具導熱系數對于計數器內部的電器元件溫度影響較大，在夾具面積一定情況下，通過擬合一般材料的熱傳導系數的分布情況，進行仿真優化分析，得到滿足計數器內部電器元件正常工作溫度條件下的夾具的熱傳導系數為λ≤36W/(m·℃)。同時，本文基于2種常用的金屬材料0Cr18Ni9不銹鋼及6061鋁材，對計數器夾具的穩態熱特性進行了仿真分析，分析結果顯示：采用0Cr18Ni9不銹鋼材質作為夾具時，計數器內部穩態溫度能夠滿足電器元件溫度要求。此外，進一步分別使用0Cr18Ni9不銹鋼及6061鋁材制作了2種夾具，并對計數器的熱特性開展了實際試驗研究，試驗結果與仿真分析結果基本一致，仿真分析結果的合理性及準確性得到了較好的驗證。