镀镍缠绕式复合材料身管径向散热过程的数值模拟

王振兴，原梅妮，李立州，向丰华，张 明

（中北大学机电工程学院，山西太原 030051）

镀镍缠绕式复合材料身管径向散热过程的数值模拟

王振兴，原梅妮，李立州，向丰华，张 明

（中北大学机电工程学院，山西太原 030051）

提出一种提高复合材料身管散热性能的方法，拟在缠绕身管的复合材料表面镀镍后再进行缠绕，以提高复合材料身管散热性能。应用ANSYS有限元分析软件模拟了镀镍缠绕式复合材料身管和普通复合材料身管的径向传热过程。分析发现镀镍缠绕式复合材料身管内部热量主要经镀镍层传至身管表面进行散热，在相同射击和冷却条件下镀镍缠绕式复合材料身管内层温度更低。相比普通复合材料身管，镀镍层开辟了新的热量传递途径，提高了复合材料身管的散热性能。

身管；复合材料；镀镍；散热

1 方法的提出

1.1 研究背景

目前低射频复合材料炮管达到6级技术成熟度，已经达到实用阶段。但在高射速武器中复合材料身管使用条件更为苛刻，体积小、射频高、结构更为紧凑、不能使用冷却液进行冷却，因此不能将低射频复合材料炮管的设计方案完全照搬过来［3］。提高复合材料身管散热性能的方法主要从改变复合材料身管的结构和选用导热性能更好的复合材料两方面来考虑［4］，比如国内在研的分段缠绕式复合材料身管和TC4钛合金复合材料身管。

金属铜和金属镍都具有优良的导热性能，但在现有材料加工工艺基础上，在环氧树脂复合材料表面镀铜尚难以实现。而金属镍可以通过化学镀的方法镀在环氧树脂表面，并且具有良好的结合力［5-6］。笔者提出一种提高复合材料身管散热性能的方法，拟在碳纤维增强的环氧树脂复合材料表面进行化学镀镍，然后在金属内管上进行缠绕［7］。由层间相互贴合的镀镍层作为热量传递的新途径，快速地将身管内部热量经镀镍层传至身管表面进行散热。

1.2 镀镍缠绕式复合材料身管模型

身管在连续射击过程中，高温高压的火药燃气与身管内壁发生强迫对流换热，将热量传递给身管，使身管温度急剧升高。身管的散热过程，热量主要由内向外，由高温区传至低温区，沿着身管径向传递至身管表面与空气进行热量交换完成散热。

在传统复合材料枪管壁开发新的传热路径，以镀镍层作为热量的主要传递介质，建立镀镍缠绕式复合材料身管模型，如图1所示。假设复合材料在金属内管缠绕4层，缠绕角α＝60°。

2 身管散热过程的模拟分析

为证明“镀镍缠绕式”提高复合材料身管散热性能的理论可行性，笔者通过模拟复合材料身管的径向散热过程，研究镀镍缠绕式复合材料身管的散热机理。应用ANSYS有限元分析软件模拟镀镍缠绕式复合材料身管和普通复合材料身管径向传热的过程，对身管进行瞬态热分析，通过对比两种不同复合材料身管在相同射击条件和相同散热条件下的温度场和热流分布，进而比较两种不同复合材料身管的散热性能。

2.1 身管散热模型的建立

由枪炮内弹道常识可知，膛内火药燃气压力与火药燃气温度不仅与时间有关，而且与身管轴向坐标有关。在靠近最大膛压处压力最大，温度最高，而靠近膛口处压力最小，温度最低，兼顾体现身管散热过程和节省计算量，因此对温度最高区进行散热模拟，只计算膛内火药燃气随时间的变化对身管壁的影响。

忽略镀镍层缠绕角，枪管属于轴对称图形，为了体现身管径向散热过程，将散热模型简化为身管径向剖面的2- D模型，如图2所示（即图1圆圈中身管壁的剖面图）。分析模型为身管高温区的一段，长30 mm，宽10 mm。由下至上尺寸分别为：身管内部镀铬层，厚度为0.2 mm；合金钢内衬层，厚度为2 mm；镀镍层厚度为0.2 mm，复合材料部分共4层，厚度为8 mm。

表1为复合材料身管常温时的材料模型参数，其中，C为比热容，λ为径向导热率，ρ为材料模型的密度，忽略温度升高对材料性能的影响［8］。

2.2 加载与边界条件

以身管最高膛压区进行径向散热分析，因此加载的火药燃气温度只随时间变化，在身管壁内侧火药燃气与管壁进行强迫对流换热与辐射传热，身管外壁与空气的传热可看为无限空间层流放热处理［9］。

在对身管进行瞬态热分析之前，需要对分析模型边界条件作出以下假设：

1）忽略镀镍层缠绕角的影响，假设镀镍缠绕式复合材料枪管为轴对称结构。

2）忽略弹丸对膛线的摩擦。

3）材料密度、导热系数和比热容都不随温度发生变化。

4）镀镍层之间紧密接触。

5）忽略缠绕角对散热性能的影响。

根据内弹道计算公式计算出内弹道不同时刻火药燃气的温度。

式中：X、λ分别为火药形状特征量；ω、ψ分别为装药量和火药相对已燃体积；Z为火药相对燃烧厚度；P为火药气体压力；Ik为燃气压力全冲量；f为火药力；S为枪膛截面积；v为弹头速度；R为火药气体常数；l为弹丸行程长；θ为因数［10］。

经计算得加载枪管内表面的温度载荷，如图3所示。

求取火药燃气的换热系数采用对流放热准则方程

式中：Nu为努赛尔数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；d为身管口径；λ为气体导热系数；vg为火药燃气速度；μg为气体运动粘度；k为火药燃气的比热比。

则内弹道时期火药燃气换热系数为

式中：kc为辐射修正系数，取值为1.15～1.20。

身管表面以自然对流的方式向空气散热，对流放热系数用相似原理求解，其相似准则方程

式中：Gr为格拉晓夫数；β为空气容积膨胀系数；ΔT为身管冷却开始时表面与环境的温度差［11］。

则空气对流换热系数

3 身管径向散热过程模拟

对镀镍缠绕式复合材料身管和普通复合材料身管模型进行瞬态热分析。设定分析的身管径向散热模型处于身管的温度最高区，射频为600 r／min，进行连续射击10发后冷却。分析在相同加载条件下，不同复合材料身管壁径向的温度场分布、热流密度分布及冷却后不同复合材料关键层的温度变化。

3.1 温度场分布分析

应用ANSYS软件分别模拟镀镍缠绕式复合材料身管和普通复合材料身管连续射击及冷却过程的径向温度场分布，在身管内壁加载火药燃气温度，管壁外侧向空气散热。管壁在连续射击10发后的温度场分布如图4所示，空冷10 s后的管壁温度场分布如图5所示。

由图4（a）和（b）可知，连续射击10发后身管的热量由身管内壁沿径向传至管壁外侧。两种不同复合材料身管最高温度均是187.486℃，最低温度是20℃。然而镀镍缠绕式复合材料身管的热量传递速度更快。相同传热时间，图4（a）热量径向传递距离大于图4（b），热量分布也更分散，其高温区域面积还不到普通复合材料身管高温区域的1／5。由图5（a）和（b）可知，在冷却10 s后镀镍缠绕式复合材料身管内层热量已经传至身管表面进行散热，内层温度为72.48℃；而普通复合材料身管热量还集中分布在金属内衬管，不能及时将热量传至身管表面进行散热，热量集中在合金钢衬管层，温度为138.08℃。

结合图4和图5可知，在相同加热和冷却条件下，金属镍相比复合材料具有更高的导热系数，镀镍缠绕式复合材料身管能够把热量快速传递到身管表面，且在身管表面散热过程中，镀镍缠绕式复合材料身管表面的镀镍层热容量小，温升快，与环境温差更大，向空气散热的速率更高。而普通复合材料身管的导热系数低，热容量大，温升慢，不能迅速将热量传递到身管表面进行散热，反而起到保温的作用。

3.2 热流密度分析

热流密度是在导热物体中单位时间内通过垂直于传热方向某一截面的热量。研究热流分布能够直观地了解身管散热过程中热量的集中分布和热量主要传递的路径。两种不同复合材料身管在连续射击10发并冷却10 s后的热流分布，如图6所示。

由热流密度分布图知，镀镍缠绕式复合材料身管内较大的热流密度主要分布在镀镍层，最大热流密度为200.651 kw／m2。普通复合材料的身管热流主要分布在复合材料内层，最大热流密度为14.171 k w／m2，约为镀镍缠绕式身管热流密度的1／15。因为金属镍具有较高的导热系数和较低的热容量，温升快，能够快速地传递热量并将身管内部热量沿着镀镍层由身管内部高温区传到身管外层低温区。而普通复合材料的身管热流主要分布在复合材料内层上，因复合材料导热系数较低，热容量大，温升较慢，热量传递的速度慢，不能迅速将热量传至身管表面进行散热。镀镍层改变了复合材料身管的热量传递方式，为复合材料身管开辟了新的热量传递途径，有效地改善了复合材料身管的散热性能。

复合材料身管在连续射击后因散热性能不良致镀铬层烧蚀和复合材料受高温影响发生软化，是严重影响复合材料身管寿命的两大因素。因此选取身管镀铬层、合金钢衬管与镀铬层接触面、镀镍缠绕式复合材料与合金钢衬管接触面，对3个关键层进行温度对比。

在连续射击10发并冷却10 s的过程中，记录了不同时刻镀镍缠绕式复合材料身管和普通复合材料身管径向各关键层的温度变化，比较各关键层在连续射击10发和冷却过程中径向各关键层的温度变化，进而比较两种不同复合材料身管的散热性能，如图7～9所示。

对比两种不同复合材料身管的关键层温度 时间曲线，对比结果统计如表2所示。

从图7～9和表2可知，镀镍缠绕式复合材料身管在连续射击10发后的冷却过程中，镀镍缠绕式复合材料身管的关键层温度相比普通复合材料身管关键层的温度低50～70℃，一定程度上可以减缓镀铬层的烧蚀，杜绝或减少复合材料层的软化。

4 结论

通过ANSYS有限元分析软件模拟了镀镍缠绕式复合材料身管和普通复合材料身管模型的径向散热过程，比较分析了两种不同复合材料身管在散热过程中管壁的径向温度场分布、热流密度分布和各关键层的温度变化。结合两种不同复合材料身管径向散热过程的模拟分析结果，总结出以下几点：

1）镀镍缠绕式复合材料身管的热量传递主要由镀镍层作为传递介质，普通复合材料身管的热量主要由复合材料传递。

2）镀镍缠绕式复合材料身管由于金属镍的高导热系数，热量传递速度更快，热量分布更分散，更快速地将热量传至身管表面进行散热。

3）在身管表面散热过程中，镀镍缠绕式复合材料身管表面的镀镍层导热系数高，热容量小，温升快，向空气散热的速率更高。

4）镀镍缠绕式复合材料身管在连续射击后关键层的温度相比普通复合材料身管关键层低50～70℃，减缓了镀铬层的烧蚀及复合材料层的软化，一定程度提升了复合材料身管寿命。

1.1.3 环境因素：组织培养的外界环境对组培苗的污染控制也至关重要。空气中不可避免存在着一些真菌孢子和漂散的细菌。组培室室内环境、超净工作台台面、组培操作间的地面等如果存在大量的污染菌种，都会对实验造成影响，增加科研成本。

通过对镀镍缠绕式复合材料身管和普通复合材料身管径向散热过程的模拟分析可知，镀镍缠绕式复合材料身管中的镀镍层为复合材料身管的热量传递开辟了新的传递途径。充分利用了金属镍导热系数高，热容量小，温升快的特点，提升了复合材料身管的散热性能，减缓了复合材料身管内镀铬层的烧蚀和复合材料的软化，一定程度上解决了复合材料身管因散热性能不好而使射频受限的问题。在复合材料枪管及复合材料炮管设计中可作为参考。

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Numerical Simulation of the Radial Cooling Process of Nickelled and Wrapped Composite Material Barrel

WANG Zhenxing，YUAN Meini，LI Lizhou，XIANG Fenghua，ZH ANG Ming

（College of Mechanical and Electrical Engineering，NUC，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

This paper presented a method of improving the cooling performance of composite material barrel，nickel on the surface of the composite material before wrap on the barrel to improve the cooling performance of the composite material barrel.Applicated the ANSYS finite element analysis software to simulate the radial heat transfer process of the nickelled and wrapped composite material barrel and the common composite material barrel.Analysis found that nickelled and wrapped composite barrel internal heat transmitted to the surface of the barrel by nickel coating for cooling，in the same firing and cooling conditions the inner temperature of the nickelled and wrapped composite material barrel is more lower.Compared to the common composite material barrel，nickel coating opened up new avenues for heat transfer，improved the cooling performance of composite material barrel.

barrel；composite material；nickelled；heat radiation

TJ203

A

1673-6524（2015）03-0006-06

2014- 11- 19；

2015- 05- 11

山西省自然科学基金 （2012011019- 1，2012011007- 1）；中北大学科技创新立项（20141106）

王振兴（1991－），男，硕士研究生，主要从事自动武器轻量化设计、复合材料技术研究。E-mail：356382321＠qq.com

复合材料具有高比强度、高比模量、轻质等特点，应用复合材料身管代替传统金属身管是实现自动武器进一步轻量化的有效途径［1］。复合结构身管（包括复合材料枪管、复合材料炮管）一直是世界军事强国研究的重要内容之一，其主要目的是减小武器系统的质量，提高武器系统机动性或单兵携弹量。但常规复合材料身管散热性能较差，在身管连续射击后温度骤升，使身管内膛出现烧蚀，射击精度下降等现象，影响身管寿命。因此，提高复合材料身管散热性能是自动武器轻量化进程中亟待解决的问题［2］。