基于集总参数法的坦克装甲传热分析

胡金锁，周国印，王普凯，吴行，陈庆昌，褚庆国

（1.装甲兵装备技术研究所，北京100072；2.装甲兵工程学院机械工程系，北京100072）

基于集总参数法的坦克装甲传热分析

胡金锁1，周国印1，王普凯2，吴行1，陈庆昌1，褚庆国1

（1.装甲兵装备技术研究所，北京100072；2.装甲兵工程学院机械工程系，北京100072）

为研究坦克装甲热特征，基于集总参数法进行坦克装甲单元划分，建立了热平衡方程，搭建了坦克装甲热网络，确定了热平衡计算求解方法。对某型坦克在设计工况下的装甲温度进行计算，得出了热特征明显的高温区域，并分析了原因。对某型坦克装甲温度进行试验测量，将测量值与计算值进行了对比，最大误差为6.92%，验证了该模型的合理性。

兵器科学与技术；集总参数法；坦克装甲；热网络；模型；传热

0 引言

世纪之交的几场高技术战争表明，红外侦察设备与红外精确制导武器使战场环境突破了白天与黑夜的限制，全天候对军事目标进行搜寻、识别、判断，继而实施攻击；而作为“陆战之王”的坦克，运行过程中在产热、传热作用下，装甲表面呈现独特显明的热特征，生存能力受到严重挑战［1］。因此开展坦克装甲温度分布研究、摸清装甲热状况，是有针对性地降低、改变其热特征，提高坦克战场生存能力的当务之急。

本文在集总参数法的基础上建立了坦克装甲热分析模型，对某型坦克在设计工况下的装甲温度进行了计算，并进行实车测试，将计算值与测量值进行了对比。

1 坦克装甲热分析模型的建立

1.1 坦克装甲传热分析

坦克装甲与内部设备、人员、动力舱空气、外界环境等进行着传导、对流和辐射换热，图1是坦克装甲传热分析示意图。

1）坦克装甲板受到太阳辐射加热，与外界环境空气进行对流换热，与驾驶员和战斗员进行辐射换热，与排烟管进行导热，与动力装置和传动装置进行导热和辐射换热，与动力舱内空气进行对流换热。

2）动力舱空气与坦克装甲板进行对流换热，与动力装置和传动装置进行对流换热。

3）动力装置和传动装置向坦克装甲板导热和辐射换热，与动力舱内的空气进行对流换热。

图1 坦克装甲热分析示意图Fig.1 Schematic diagram of thermal analysis of tank armor

1.2 单元划分

集总参数法是忽略物体内部导热热阻的简化分析方法，适用于坦克装甲这种内部导热热阻与外部传热热阻相差悬殊的大平面传热问题。使用集总参数法进行坦克装甲热分析时，单元划分应满足毕渥准则［2］。

式中:Bi为毕渥数；h为单元外表面的对流换热系数；V为单元体积；A为单元外表面面积；λ为单元导热系数；M是与物体几何形状有关的无量纲数。

坦克装甲由车首上下装甲、驾驶室顶装甲、炮塔底装甲、左右侧装甲、翼子板、裙板、驾驶室与动力舱隔板、动力舱顶装甲、后装甲以及底装甲等组成，将火炮管和炮塔放在坦克装甲中一并考虑。进行单元划分时，所有的坦克装甲视为平板，炮塔作为空心球体，炮管作为圆柱体。考虑到坦克装甲结构的对称性，只对半侧坦克装甲进行单元划分。所有装甲单元划分满足毕渥准则。

1.3 热平衡方程

由能量守恒定律可知，达到热平衡时，坦克装甲热单元的稳态能量方程［2］为

式中:Q为热流量，下标gen、in和out分别表示产热、流入和流出，下标sj、rdj和rpj分别表示太阳、乘员和动力传动装置与热单元j的辐射，下标vj和pj分别表示坦克排烟管和动力传动装置与热单元j的导热，下标daj表示动力舱空气与热单元j的对流换热，下标ja表示热单元j与外界环境空气的对流换热，下标ji表示热单元j向相邻热单元i的导热，下标rji表示热单元j向相邻热单元i的辐射换热；n为与热单元j相连的导热单元个数；m为与热单元j辐射换热的单元个数。

太阳向热单元j辐射的热流量Qsj［3-6］为:

式中:E为辐照度，下标dir、sca和ref分别表示太阳直射、散射和地面对太阳的反射；α为吸收比。

坦克排烟管和动力传动装置向热单元j的导热流量、相邻热单元之间的导热流量可统一表示为

式中:ΔT为温度差；下标x分别代表v、p和i.

动力舱空气与热单元的对流换热流量、热单元与外界环境空气的对流换热量可统一表示为

式中:下标y分别代表下标da、a.

乘员和动力传动装置与热单元的辐射热流量、热单元之间的辐射热流量可统一表示为

式中:ε为发射率；X为角系数；下标z分别代表d、p和i；σ为斯蒂芬-波耳兹曼常数。

1.4 热平衡方程的求解

在热平衡（2）式～（8）式中，将热网络中热单元对应的以其温度为待求量的能量方程组，用以矩阵形式表达的非线性代数方程组表示:

式中:aij为方程组系数矩阵的元素；ci为常数向量的元素；Ti为温度向量的元素；n为热网络中的热单元数目。

1.5 装甲热网络

热网络主要由热单元、导热热阻、热桥、热源、流量源及压力源、控制元件等组成。在热流体系统仿真分析软件Flowmaster中:“”代表热单元，“”代表导热热阻，“”代表热桥，“”代表热源，“”表示辐射源，“”代表流体流量源，“”代表压力源，“”和“”是控制元件。由于某型坦克装甲内部结构、传热方式、边界条件的不同，为计算方便，在应用Flowmaster商业软件构建热网络时，忽略坦克装甲内部对传热影响不明显且较小的零件、固定件、水管、油管及设备表面小附件体积，将空气视为理想流体，将某型坦克装甲构建为两个热网络，两个网络之间按耦合界面处理。热单元划分及构建的热网络如图2～图4所示。

图2 坦克装甲单元划分示意图Fig.2 Unit division of tank armor

图3 坦克装甲热网络1Fig.3 Thermal net 1 of tank armor

图4 坦克装甲热网络2Fig.4 Thermal net 2 of tank armor

当热单元的产热量、传热热阻及边界温度确定后，得到（9）式中系数矩阵值和常数向量的元素值，应用高斯-塞德尔迭代数值求解方法，求出各个热单元的温度。

2 坦克装甲设计工况温度计算结果

设计工况是指坦克柴油机处于标定工况、坦克按最高速度行驶、外界环境空气温度为35℃的典型工况。坦克设计工况下大气透明率取0.75、太阳高度角为70°.利用建立的坦克装甲热分析模型进行计算，计算结果如表1所示。

表1 坦克装甲设计工况下温度计算结果Tab.1 The calculating results of tank armor temperature in design condition

从表1可以看出，坦克装甲主要有4个高温区域:排烟管室（热单元8、热单元9、热单元10、热单元13、热单元14、热单元15、热单元20、热单元21、热单元31）、后装甲（热单元27、热单元28）、排气窗（热单元24、热单元25）和主动轮附近侧装甲（热单元33）。其中:排烟管室周围高温热单元较多，这是由于坦克排烟管隔热层外表面温度为内热源外表面温度最高点，在导热作用下，达到热平衡时影响面积大；坦克排烟管室翼子板顶面（热单元9）、排烟管室翼子板侧面（热单元14）、动力舱顶面左前角（热单元20）以及排烟管附近侧装甲（热单元31）温度要高于排烟管室周围其他热单元温度，这是由于上述热单元距离排烟管较近、导热热阻小的缘故；温度最高点为排烟管附近侧装甲，高达144.5℃，这是由于排烟管附近侧装甲被翼子板遮挡，与外界环境空气不发生对流换热，而排烟管室周围其他热单元与外界环境空气对流换热强烈，因此排烟管附近侧装甲表面温度要远高于排烟管室周围其他热单元温度。

坦克运行过程中由于风扇传动齿轮啮合、摩擦等产生大量的热，经后装甲传至外表面，因此后装甲温度也很高；主动轮附近侧装甲温度较高也是由于侧减速器在运行过程中摩擦产生的热量传导所致。

顶装甲排气窗热单元温度在设计工况下达到了80.0℃，这是由于设计工况下动力舱内排出的空气与排气窗热单元进行强烈的对流换热，因此排气窗温度较高；在顶装甲导热和动力舱内部空气的对流换热作用下，排气窗附近热单元也成为温度较高的热源。

坦克装甲其他热单元与外界环境空气温差在15℃以内，最高温度为47.3℃，与坦克排烟管室、后装甲、排气窗和主动轮侧装甲等区域存在较大反差。综上可知，上述排烟管室、后装甲、排气窗和主动轮附近侧装甲4个区域为坦克装甲高温区，集中体现了坦克装甲的热特征。

3 坦克装甲热分析模型验证

为检验坦克装甲热分析模型的合理性，对某型坦克进行了实车测试。

试验时外界环境空气温度为23℃，无风，外界环境空气压力98.25 kPa，大气透明度正常。坦克以4挡18.82 km/h速度行驶，进排气百叶窗全开，柴油机达到平衡后，水散热器和油散热器进口水温和油温分别保持在90℃±1℃.

表2是上述热单元温度试验值与计算值的对比。由试验值与计算值的对比可知，二者最大误差为6.92%，表明建立的坦克装甲热分析模型是合理、正确的。

表2 坦克装甲温度试验值与计算值的对比Tab.2 The comparison experimental and calculated results of tank armor temperature

4 结论

1）基于集总参数法建立了坦克装甲热分析模型，合理划分了坦克装甲热单元，根据能量守恒定律列出了热平衡方程，搭建了包含热单元、内热源、导热热阻、对流换热热桥、辐射换热源等元件的热网络，确定了坦克装甲热平衡计算求解方法。

2）利用坦克装甲热分析模型计算了某型坦克在设计工况下的装甲温度，得出了装甲表面的4个高温区域，即排烟管室、后装甲、排气窗和主动轮附近侧装甲，其中排烟管室、后装甲、主动轮附近侧装甲周围区域高温主要由内热源传导所致，而排气窗周围区域高温则由动力舱内部冷却空气与排气窗热单元对流换热所致。由于坦克排烟管表面温度最高，且受翼子板遮挡影响，因此坦克装甲温度最高点位于排烟管附近侧装甲处，为144.5℃。

3）进行了某型坦克实车测试，试验值与计算值最大误差为6.92%，证明了坦克装甲热分析模型的正确性。

（

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［1］ 周国印.坦克装甲热分析与热抑制方法研究［D］.北京:装甲兵工程学院，2012. ZHOU Guo-yin.Thermal analysis of tank armor and research on thermal restraint methods［D］.Beijing:Academy of Armored Forces Engineering，（in Chinese）

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Thermal Analysis of Tank Armor Based on Lumped Parameter Method

HU Jin-suo1，ZHOU Guo-yin1，WANG Pu-kai2，WU Hang1，CHEN Qing-chang1，CHU Qing-guo1
（1.Armored Force Equipment and Technology Research Institute，BeiJing 100072，China；2.Department of Mechanical Engineering，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

In order to master the thermal characters of tank armor，the tank armor is divided into many units based on lumped parameter method.Thermal balance equations are established and the thermal networks of the armor are constructed.Then a computing method of thermal balance is also determined.The temperature of a certain type of tank armor is computed in design，the high temperature areas with distinct thermal features are reached，and influence reason is analyzed.The temperature of a certain type of tank armor is measured through experiments，and then it is compared with computing temperature.The maximum deviation between them is 6.92%，which proves that the model is reasonable.

ordnance science and technology；lumped parameter method；tank armor；thermal network；model；heat transfer

TJ81+0.2

A

1000-1093（2015）09-1610-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.002

2015-05-05

胡金锁（1971—），男，高级工程师，博士。E-mail:herbeizhouyv@126.com