穿甲弹发射过程尾翼传热计算

李阳　王健

摘 要：本文对穿甲弹的尾翼进行建模，通过对含能火药燃烧后形成燃气的研究与分析，对火药燃气的温度和传热系数进行理论计算，通过数据处理得到燃气温度与对流换热系数的变化曲线，进而进行计算，最终得到穿甲弹尾翼在发射过程中的温度变化。研究结果对穿甲弹的热结构布置具有指导意义。

关键词：穿甲弹；传热；燃气温度；对流换热系数；发射过程

穿甲弹发射过程中，含能火药迅速燃烧释放大量高温高压燃气，对穿甲弹形成迅速加热，温度升高将造成材料力学性能下降。本文以某穿甲弹为背景，分析其热性能，对尾翼进行研究分析，通过计算燃气温度和对流换热系数，进而得到求解尾翼温度分布的边界条件，后对整个过程进行仿真，得到尾翼温度分布的瞬态解。

1 模型与要处理的问题

尾翼的材料是铝合金，表1是计算过程中选取的铝合金的性能参数。

为了简化模型由于作用时间很短，尾翼对弹体的导热相对于燃气对尾翼的传热可以忽略不计在，PROE建模软件中建立穿甲弹尾翼的模型，几何模型如图1所示；网格模型（全图和剖面图）如图2所示。

发射过程主要过程可简化分析为主要的4.5ms，然后对温度分布进行瞬态求解。故发射过程的主要任务是通过公式和函数模拟得到温度和对流换热系数的4.5ms内的数据趋势。

2 控制方程

2.1 火药燃气温度的计算

火药燃气的温度是基于整个发射过程的。点火药引燃火药，一瞬间炮膛内温度急剧上升；推动穿甲弹运动的过程，温度逐渐下降；穿甲弹离开药筒，燃气温度迅速下降。这些过程都可以通过函数和公式大致模拟。根据试验得到的数据，可以将模型简化假设为前2ms的前期过程和后2.5ms的后效阶段，这样处理更符合实际情况。

前期时期：将燃气温度看成是时间的函数，可以通过公式（1）来描述。

Tg（t）=[1-（k-1）φqv （t ）2/（2fωψ）]T1 （1）

公式中其中k为药筒绝热系数；φ为虚拟系数；q为尾翼质量；v （t ）为尾翼的运动速度；f为火药力；ω为装药量；ψ为已燃火药占总量的百分比；T1为爆温。

后效过程：由于发射至4.5ms的时候火药燃气的温度略高于外界空气的温度。可以选择用对数函数式（2）来拟合后效期过程。

T=Thexp（-AtB）（2）

式中Th为后效期开始时的火药燃气平均温度，A，B为实验拟合系数。其中后效期起始温度等于内弹道结束时燃气的均温，4.5ms后效期结束时温度高于空气中的温度，根据以上条件，处理得到拟合曲线，如图3所示。

2.2 对流换热系数的计算

外界对尾翼的对流换热系数h的确定。由于尾翼圆筒处壁面厚度较薄，工程上可以将此问题简化平板模型[ 2 ]，运用相似理论选取公式（3）描述。

2.3 固体导热区控制方程

对于固体导热区的能量传递，其求解能量方程的形式如下：

3 计算分析

本文将发射的过程简化为，通过研究对燃气温度场和换热系数随时间的变化，将复杂的动态过程简化为一个变工况的换热导热问题。通过第三章所述的控制方程实现这种转换，最终得到尾翼温度分布随时间的变化，如图5所示。

由于模型具有对称性，我们选择几个有代表性位置的监视器对时间历程结果观察分析，如图6所示，图中TEMP2是尾翼一个内壁节点（963）的温度，TEMP3是外壁节点（4083）的温度，TEMP4是尾翼上的一个节点（10352），TEMP5是尾翼外端的一个节点（1907）。

选择监视区后就得到这些节点的温度随时间的变化关系，将其绘成函数曲线，如图7所示。

4 结论

本文通过数据处理，编程计算，得到穿甲弹发射4.5ms过程中的燃气温度T的变化，对流换热系数h变化，通过控制方程得到尾翼温度场数据。计算结果表明，发射时火药燃气温度很高，在发射过程中，由于燃气周围介质换热很大，短短几个毫秒温度迅速降低。而尾翼的温度变化则在3ms以后较缓。

参考文献：

[1] 王锋锋，毕小平，索文超.坦克设计过程中炮膛内火药气体温度计算[J].装甲兵工程学院学报，2009（5）：48-51.

[2] 王晓墨，许国良等.工程传热学[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[3] 金志明.槍炮内弹道学[M].北京：北京理工大学出版社，2004，P110-P113.

[4] 杨光辉.自动武器身管热力学特性研究[D].太原：中北大学，2014.