鈦合金與碳纖維復合身管在無后坐力炮中的應用分析

孫向東，謝鑫，戴泓源，王佳，閆旭，馮茂林

(河北燕興機械有限公司，河北 張家口 075000)

輕量化一直是武器裝備發展過程中的重點研究方向。常規火炮發射技術難以同時兼顧打擊能力和輕量化,在這種需求下,無后坐力炮所具有的火力強、機動性高、輕巧便攜、多彈種兼容、增加戰斗效能、有效打擊目標等優點,在現代立體化戰爭中充當著重要角色[1]。

隨著新材料的發展,鈦合金材料和碳纖維增強復合材料[2-3]已被廣泛應用于航空航天、汽車、醫療器械等方面,皆因其具有密度小、比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等諸多優點。無后坐力炮借助這些高強度、低密度的材料可顯著降低系統質量,在相同負重下可攜帶更多的彈藥,提升其作戰能力。如瑞典的卡爾·古斯塔夫無后坐力炮M4型(身管采用鈦合金內襯+碳纖維增強復合材料制成)在原M3型(身管采用鋼內襯+碳纖維增強復合材料制成)的基礎上進行改進,減重約3 kg,減重占比到達28%[4],使其在保證威力的前提下可攜帶更多的彈藥讓步兵分隊消滅更多的目標,有利于提高持續作戰能力。目前,國內65式、78式82 mm無后坐力炮采用炮鋼材料制作身管,65式82 mm無后坐力炮炮身重約21.5 kg[5],78式82 mm無后坐力炮炮身重約12 kg[6-7],雖可用于戰場,但機動性能差的缺點制約其戰斗效能的實現,因此無后坐力炮輕量化具有重大的實戰意義。

筆者立足于無后坐力炮輕量化需求,以鈦合金內襯外纏碳纖維復合增強材料作為身管為研究對象,采用薄壁圓筒理論對其結構進行理論、仿真分析,在此基礎上,采用水壓試驗測試鈦合金內襯外纏碳纖維復合增強材料的變形率,與理論、仿真的變形率進行比較,而后以水壓爆破試驗中碳纖維復合增強材料的極限變形率作為鈦合金內襯外纏碳纖維復合增強材料的失效判別依據,為無后坐力炮實炮射擊時身管變形率是否滿足設計要求提供依據,為裝備減重提供技術支撐,并為其他類似火炮身管結構的設計提供參考。

1 無后坐力炮身管設計分析

傳統無后坐力炮身管設計采用第二強度理論并取一定安全系數計算身管靜態強度,對于鈦合金內襯外纏碳纖維復合增強材料結構,使用上述理論只能確定單一材料制造的身管強度,難以滿足兩種及兩種以上材料復合身管結構的強度計算。因此,對于該類身管本文采用薄壁圓筒理論[8],對兩種材料復合成型的身管進行受力分析,建立理論計算方法。

身管工作時受環向應力為主,軸向受力忽略不計,該過程中,認為外纏纖維層(以下簡稱“纖維殼體”)與內襯間無摩擦力,主要考慮身管受內外壓的作用情況。假設內襯內徑為D1,壁厚為h1,材料的彈性模量為E1,受壓力和應力分別為P1、σ1,受壓變形為ε1;纖維殼體的內徑為D2,壁厚為h2,材料的彈性模量為E2,受壓力和應力分別為P2、σ2,受壓變形為ε2;身管受壓力和應力分別為P、σ,受壓變形為ε,身管的彈性模量為E,身管壁厚為h。

根據力的平衡方程有如下關系成立：

PD1=P1D1+P2D2=2σ1h1+2σ2h2=2σh.

(1)

無論內襯還是纖維殼體受力均應在彈性范圍內,否則發生塑變,身管失效。因此,將應力-應變關系帶入式(1)可得到：

PD1=2ε1E1h1+2ε2E2h2=2εEh.

(2)

金屬內襯和纖維殼體僅受內壓力時,金屬內襯先發生彈性變形,纖維殼體在金屬內襯的作用力下也發生變形,在該變形過程中假定ε=ε1=ε2,將其帶入式(2)中可得到：

(3)

(4)

按照式(3)、(4)可計算出身管的變形率,進而對身管的實測變形情況是否滿足設計要求進行判斷,以優化身管內襯和纖維殼體的結構。

2 身管的水壓試驗和數值模擬

身管選用鈦合金作為內襯,纖維殼體由碳纖維和樹脂基體兩部分組成,碳纖維作為纖維纏繞層的主承載部分被基體粘結,基體向碳纖維傳遞剪力載荷,完成纖維殼體受力[9]。本文提到的碳纖維纏繞工藝為縱向鋪層一致,增加環向鋪層,實現不同壁厚纖維殼體的加工。在進行身管水壓和數值模擬試驗前,充分考慮試件的制作周期、成本、建立模型的對稱性和客觀反映試驗結果等問題,選用比1 000 mm身管長度短的身管試件、模型分別進行水壓、數值模擬試驗,碳纖維選用T700和M46,身管試件和模型尺寸如表1所示。水壓試件外壁中部沿環向粘貼應變片。

表1 水壓試驗與數值模擬的身管試件尺寸

2.1 鈦合金內襯水壓試驗

不同批次鈦合金會因化學成分組成、成型工藝、加工方法等產生應變、彈性模量的差異,為此,對表1水壓試驗類別A中的試件進行水壓試驗,以確定其彈性模量。試驗結果如圖1所示,根據試驗結果,本文計算的鈦合金模量選取100 GPa。

2.2 纖維殼體水壓試驗

剛度是影響身管變形彎曲的重要指標。剛度低,身管會因彈帶擠入力、瞬爆壓力等產生微彎曲,而彈丸與身管內襯摩擦,既影響身管壽命,也影響射擊精度。因此,纖維殼體的變形能力對實炮射擊至關重要。對表1水壓試驗類別B中的T700和M46的纖維殼體進行水壓試驗。試驗結果如圖2、3所示。

在考慮使用的樹脂基體、固化劑、纏繞張力、鋪層順序基本一致的前提下,T700纖維殼體比M46纖維殼體變形率大,其主要原因是其自身性能,即M46纖維殼體的彈性模量大。不同壁厚T700纖維殼體的彈性模量在146.24～156.00 GPa,波動范圍小,穩定性強;不同壁厚M46纖維殼體的彈性模量在223.6～248.9 GPa,在低于40 MPa壓力時,該應力不足以使纖維紗股全部處于繃緊狀態,而當壓力高于40 MPa時,纖維紗股作用率提高,因而在該壓力下彈性模量在236.6～248.9 GPa。在以下計算中T700碳纖維的彈性模量取其平均值150 GPa,為了留有安全余量,M46碳纖維的彈性模量取偏下限值225 GPa。

2.3 鈦合金內襯+纖維殼體水壓試驗

選取表1水壓試驗類別C中的鈦內襯+T700纖維殼體和鈦內襯+M46纖維殼體,進行理論計算和水壓試驗。通過式(3)、(4)計算得到鈦合金內襯+纖維殼體的理論變形率,與實測變形率進行比較,驗證其符合性。實測的變形率、彈性模量與理論計算的變形率、彈性模量的結果對比如圖4、5所示。

理論計算的變形率除了和選取的彈性模量與真實值偏離情況有關,測試過程同樣會造成實測值與真值的偏離,影響測量結果的因素有應變片的電阻、溫度效應、導線電阻、應變片粘貼情況以及測量儀器的精度等。從試驗數據分析可知,理論計算變形率與實測變形率偏差在±5%以內,從工程應用角度出發,該偏差在可接受范圍。

2.4 鈦合金內襯+纖維殼體仿真

利用ANSYS有限元分析軟件對表1數值模擬中的鈦內襯+T700纖維殼體、鈦內襯+M46纖維殼體分別進行仿真分析。金屬部分采用SOLID45單元,纖維殼體采用SHELL181單元[10-15],鈦合金和復合碳纖維的泊松比分別為0.33和0.31,纖維殼體鋪層如圖6所示,內襯網格如圖7所示。

采用接觸向導定義接觸單元,其中定義纖維殼體為目標面TARGE170,定義鈦內襯為接觸面CONTA174,創建接觸模型,而后采用增強拉格朗日接觸算法,從30～90 MPa每間隔10 MPa進行應變計算,調取模型表面應變結果,仿真結果如表2所示。

表2 應變計算結果

以鈦內襯+M46纖維殼體施壓60 MPa為例,其仿真結果云圖如圖8所示。

將仿真結果與實測結果進行比較,從整體上看,實測結果值偏大,變形率偏差在±6%以內,而造成偏差的原因有：纖維殼體的纏繞張力、基體對纖維的浸潤包裹程度,內襯與纖維殼體的初始接觸裹緊力以及應變片粘接情況等均會造成測試誤差;仿真模型建立、網格劃分、邊界條件選取等會造成仿真結果出現偏差。基于以上分析,仿真結果與實測結果基本吻合。

3 爆破與射擊試驗

水壓爆破試驗和實炮射擊試驗所用試件或實炮尺寸如表3所示。

表3 爆破與射擊試驗試件/實炮尺寸 mm

3.1 水壓爆破試驗

鈦合金內襯具有良好的彈塑性變形性能,其變形能力優于纖維殼體的變形能力,當鈦合金內襯發生變形時,纖維殼體應能抵抗其變形而不破壞,則需要對纖維殼體的破壞極限進行試驗。選取表3爆破試驗中的T700纖維殼體和M46纖維殼體試件進行爆破試驗。試驗結果如圖9所示。

從結果可以看出T700從承壓81.4 MPa增至85.3 MPa時的變形率增長由10-4數量級降至10-5,M46從承壓90.5 MPa增至95.7 MPa時的變形率增長由10-4數量級降至10-5,而T700和M46分別在90、100 MPa時爆破,說明T700和M46分別在81.4 MPa、90.5 MPa時發生塑性變形,而此時對應的最大應力和變形率分別為1.874 4 GPa、1.18%和1.465 9 GPa、0.6%。

纖維殼體作為無后坐力炮發射時的主要承載結構,承受約85%～95%的壓力載荷[9],在滿足承壓條件的情況下,從工程應用角度出發,上述碳纖維結構均能滿足無后坐力炮身管的設計要求。

3.2 射擊試驗

為驗證無后坐力炮身管在射擊瞬時受力時,其身管的變形率能否滿足爆破試驗的極限變形率要求,使用表3中實炮進行射擊試驗。射擊試驗前,在距炮尾約260 mm的藥室坡口部位(測試點1)、距炮尾約360 mm處(測試點2)、距炮尾約450 mm處(測試點3)粘貼應變片,如圖10所示。得到實測變形率曲線如圖11所示。測試點1、2和3的最大實測值分別為0.190%、0.160%和0.097%,均小于0.6%變形率,滿足極限承壓要求。

4 結論

筆者通過對采用新型材料的無后坐力炮身管進行設計、數學仿真分析,采用水壓試驗對無后坐力炮身管的變形率與理論、仿真的變形率進行對比驗證,并運用水壓爆破試驗對無后坐力炮身管的極限變形率進行測試,經射擊試驗進行驗證后得出如下結論：

1)水壓試驗確定了身管的變形率,與理論設計、仿真計算的身管變形率比較,誤差分別為±5%,±6%,在可接受范圍。

2)水壓爆破試驗確定了T700和M46身管承壓極限變形率,分別為1.18%和0.6%,均大于無后坐力炮射擊試驗身管的變形率0.19%,鈦合金內襯外纏碳纖維復合材料可用于無后坐力炮身管設計。

3)鈦合金、碳纖維復合材料應用于無后坐力炮身管的設計,能滿足輕量化要求,提升兵組作戰機動性能,可為同類型武器提供設計參考。