基于3D打印的消音器快速设计技术研究

张魏友 毛庆龙 杨志远

Research on Rapid Design Technology of Muffler Based on 3D Printing

ZHANG Wei-you MAO Qing-long  YANG Zhi-yuan

摘要：本文开展消音器快速设计研究。首先，开展某型枪用消音器膛口流场的仿真分析与计算，经后处理分析，获得膛口流场速度与膛口压力分布云图，通过分析获得膛口噪音分贝值;其次，进行3D打印工艺适应性研究，采用TC4粉末完成消音器快速激光成型;最后，功能性试验验证结果表明，3D打印消音器降噪仿真与实弹射击试验结果是一致的。

Abstract： This paper studies the rapid design of muffler. Firstly， the muffler muzzle flow field is simulated based on CFD， and the velocity and pressure distribution chart of muzzle flow field in aftereffect period is obtained. Secondly， the adaptability of 3D printing technology is studied， and the muffler is rapidly laser generated. Finally， the functional test results show that the noise reduction simulation of 3D print muffler is consistent with the firing test results of live ammunition.

关键词：3D打印;消音器;流场;CFD

Key words： 3D printing;muffler;flow field;CFD

中图分类号：E92                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）32-0177-03

0  引言

随着科技发展，未来战场环境将以城市作战为主，敌我双方都有较为完善的战场监控设备，对于作战人员的隐蔽问题提出更高的要求，轻武器安装消音器的优势体现在：①枪口声音会变沉闷，起到保护听力的作用，不易被对方发现;②枪口火焰会消失，便于射击手隐藏;③枪口上跳减小，后坐力降低，射击精度获得提升。消音器体内结构复杂多样（见图1），但原理基本相同，都是将高温高压高速的火药燃气通过在消音器体内部改变气流的方式，达到降噪的效果，只要射擊时声音沉闷不刺耳，达到降低对方正确判断位置的作用，将噪声分贝下降到一定数值即可，图2为ELITE公司的EL556消音器，结构采用涡流消音原理，内部结构及其复杂，造价昂贵，显然不适合普遍配发，因此有必要基于3D打印技术对消音器开展快速设计与仿真制造技术的研究，对研发性价比高的消音器提供技术支撑。

1  枪械膛口噪声简介

枪械膛口噪声主要来源于枪管膛口气流流场，当弹壳底火击发后点燃发射药，弹丸在高温高膛压作用下从枪管口部射出，火药燃气在膛口处形成激波[1]，膛口处冲击波方程如下所示：

其中，Pmax为激波波峰值，t0为激波作用时间。

经傅里叶变换后，如下所示：

相对振幅的绝对值

2  基于CFD的消音器膛口流场仿真分析

2.1 流体力学分析流程

CFD技术是利用计算机资源进行流体运动的包含多种偏微分守恒方程求解的技术，根据工程项目要求的不同，其求解算法和数值分析模型也不一致，大致分析过程如图3所示。

CFD流体仿真分析可有效进行流体运动现象的仿真再现，通过改变模型相关参数，能准确预测流场作用性能特性等，计算效率较高，在实际项目计算过程中，有助于工程师发现问题，总结规律，快速有效地进行故障机理分析等。

2.2 计算模型及设置

某手枪消音器在ANSYS环境下创建有限元模型，ANSYS WORKBENCH 软件可以提供多种网格划分方法[2]，由于枪用消音器内部结构复杂，采取精细的四面体网格建立构件的模型，为了确保计算准确，选用fine划分，网格模型如图4所示，模拟枪口有效期流场。

在CFD模块中设置超音速，主要是三方面：

①入口：设置为360m/s的进口速度，以及后效期弹道压力，见图5所示;

②出口：设置为supersonic出口;

③Wall型（壁面设置）：设置其他各面。

2.3 仿真结果分析

求解设置完成后，计算得出仿真结果如图5-图6所示，加载消音器后，膛口可达流速为686.4m/s，压力为1.393e9MPa。

声压的大小一般不用绝对值表示，而用与基本量的比较值SPL（sound pressure level）表示，参考压力Pref为2e-5Pa：

SPL=20log（10）[Pe/Pref]

计算可得：SPL=20log（10）（6.5e13）

查功率比与分贝数换算表1。

由于SPL值为6.5e13，属于1013，前面数据为6.5，故为120～130db范围。

3  3D打印工艺适应性研究

枪械中的零部件大多工况恶劣，承受着高冲击变载荷，某些零部件还要承受着火药气体产生的高温高压作用。因此，3D打印枪用材料的选用不仅要有利于快速、精确地加工原型零件，而且还要尽量满足对强度、刚度、热稳定性能等的要求。

枪械零部件激光成形过程中小熔池熔体在超高温度梯度作用下的激光超常冶金过程复杂，研究其凝固形核与生长行为及其与成形工艺条件的关系，掌握凝固组织形成规律及控制技术，是后续热处理工艺和构件性能优化的基础。长时间往复逐道扫描、逐层沉积工艺特点，导致激光成形构件内部缺陷的形成原因较为特殊复杂、控制难度较大，掌握枪械零部件内部缺陷特征、形成机理及其控制方法，是获得高性能枪械零部件的关键要素之一。热处理是调节材料组织性能的有效手段之一，独特的激光沉积态组织特征，为后续热处理工艺与显微组织优化提供了空间，同时为激光成形枪械零部件性能优化提供了一条有效途径，因此，热处理工艺与显微组织优化技术是改善和提高激光成形枪械零部件性能的关键。

消音器体零件，外形结构简单，内部结构复杂（图7），内部大量悬空结构是成形难点之一。采用激光选区熔化制造工艺，可实现消音器体零件的一体制造，且制造周期短、材料利用率高。零件的试制工作流程如图8所示，在零件结构分析的基础上进行零件成形方案设计，并根据零件设计要求完成加工余量和工艺支撑结构设计后，进行零件选区熔化成形试验，并根据成形情况进行工艺方案优化设计。

综合考虑消音器体零件激光选区熔化成形和机械加工工艺性，设计零件成形方案如图9所示。根据零件的设计图纸，零件的上部需要加工出螺纹。由于该零件属于薄壁类零件，机械加工进行夹持时，直接夹持零件本體，容易造成变形，故在零件底端增加工艺凸台，方便机械加工时装夹，机械加工完成后，将该工艺凸台切除。

经3D打印后，实际产品如图10所示。

4  试验验证

对消音器3D打印验证件进行局部机械加工，满足零件设计要求后，按照相关试验标准及大纲要求，在某微声手枪上安装3D打印消音器验证件，进行枪口噪声测试，测试仪器距离枪口3m处，射击10发，取平均值，试验结果显示，采用3D打印消音器时，测得噪声为122dB，与仿真结果基本一致。

5  结论

本文以枪械消音器为对象，阐述了噪声的来源，进行了枪械膛口流场仿真计算，在3D工艺适应性研究的基础上，采用TC4材料进行消音器快速激光成型，并对3D试验件进行噪声试验，说明仿真结果与实际3D试验件的一致性，为消音器等轻武器附件产品进行快速设计提供方案思路。

参考文献：

[1]马大猷著.现代声学理论基础[M].科学出版社，2004：64-66.

[2]许进峰著.ANSYS Workbench15.0完全自学一本通[M].电子工业出版社，2016，09：271-275.

[3]王志杰.汽车消声器声学性能仿真分析与优化[J].价值工程，2018，37（08）：171-174.

作者简介：张魏友（1988-），男，江苏南通人，工程师，硕士，研究方向为CAE仿真。