计数器夹具热仿真优化分析与试验研究

薛汝东 徐胜轲 梅景放

（南京模拟技术研究所，南京 210016）

1 引 言

结合枪支弹药安全管理的实际需求，传统的方式是射击训练完成后，通过收集弹壳的方式实现弹药消耗的统计。该方法操作不便且数据不准，为解决这一问题，需要设计一款能够准确自动计数的装置，自动统计射击情况。当前，通常采用在枪管上安装计数器的方式对射击情况进行自动记录，以此快速准确地获取实际弹药消耗情况。为确保计数器安装的稳定性及牢固性，计数器多采用金属夹具与枪管之间实现接触式固定，而步枪在连续射击过程中会产生较大的热量，并通过夹具传导至计数器腔体内部，导致计数器腔体内部温度过高，超出电器元件的温度使用范围，从而影响计数器电器元件的正常工作，故热设计成为射击计数器连续稳定工作的关键。

2 热传导原理分析

为保证计数器稳定可靠工作，且夹具能够可靠稳定地固定于枪管上，多采用接触式固定方式；既要确保夹具的结构强度同时又要兼顾计数器的重量要求，以尽可能减少对射击效果的影响。为此，计数器腔体采用非金属材料，夹具采用蜂窝式结构式设计，以最大程度地减小整体重量，具体的安装示意图如图1所示。经实际测试，枪管在连续射击过程中的温度可达260℃，为确保计数器在260℃温度及实弹射击的冲击下保持较好的强度及较小的形变，夹具采用金属材料。

图1 计数器安装示意图

温度不同的同一物体的各部分之间，以及温度不同的两物体直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导。传热是物体的固有本质（只要存在温差），其依靠微观粒子的无规则热运动，同时，物体各部分不发生宏观的位移[1—4]。根据热传导定律（傅里叶定律），热能量与材料的导热系数、物体导热面积等因素直接相关。材料的导热系数越大、导热面积越大，物体的导热性能越好。实际使用过程中，枪管的温度通过接触式夹具以热传导方式传递给计数器腔体，当计数器夹具的样式确定后，夹具材料导热系数的选定直接决定了夹具的导热性能。

不同金属及合金材料的导热系数差距较大，约为10~500W/(m·℃)，其基本呈截断正态分布状态，其概率密度函数为：

式中，Φ（·）为标准正态分布的累积分布函数。

φ（·）是均值为0，方差为1的标准正态分布：

本文对常用金属材料的导热系数概率分布进行仿真分析，取a=10，b=500，u=200，σ=100，共生成 200 个样本，该200个样本的导热系数概率分布如图2所示。

图2 常用金属材料的导热系数分布

3 计数器热仿真优化分析

枪管温度经过计数器夹具传递至计数器腔体内部，经过一段时间热传导后，计数器形成热稳态，热稳态时的温度分布直接影响计数器电器元件的正常工作。计数器夹具采用不同的材料，其导热系数不同，对应的计数器内部热稳态的温度也不相同[5—7]，为此，本文对计数器夹具热稳态时的温度分布情况进行了仿真分析。

通过三维设计软件对计数器进行三维建模，并将计数器的基本模型导入ANSYS软件中进行仿真分析，其中，设定枪管温度恒定为260℃，夹具外表面空气对流系数取10W/(m2·℃)，夹具内部的空气对流系数取2W/(m2·℃)，计数器电器元件功率为0.225W，取不同的导热系数对计数器进行稳态热分析。图3是一种典型的金属材料铝（牌号6061）作为夹具材料时计数器稳态温度分布情况。

图3 夹具为铝（牌号6061）时的温度分布

从图3中可以看出，计数器稳态热分布的基本情况，枪管处温度最高，其次是夹具与枪管夹持处温度较高，随着距离枪管的距离增加，温度逐渐降低，整个计数器形成热稳态，稳态时计数器腔体内部温度最低为135.7℃。进一步根据图2中分析得到的200个金属材料样本点，取不同的导热系数分别进行稳态热分析，并分别记录稳态时的计数器腔体内部温度，将分析得到的结果进行统计，可得到计数器腔体内部稳态温度随夹具导热系数的变化分布图，如图4所示。

图4 计数器腔体温度随导热系数变化分布图

由图4可以看出，随着夹具材料导热系数的增加，其计数器内部的稳态温度也逐渐升高，且升高速度随导热系数的增加逐渐减缓。本文设计的计数器所选取的电子元器件的最大耐热温度为80℃，由图4可以得出：为确保计数器正常工作，其夹具材料的导热系数应满足λ≤36W/(m·℃)。

2种常用金属材料（牌号0Cr18Ni9的不锈钢和牌号6061的铝）的导热系数分别为15.1W/(m·℃)和167W/(m·℃)，分析结果显示：这2种金属材料对应的计数器腔体内部稳态温度分别为48.5℃和135.7℃。结合上述仿真分析结果可以看出，选用牌号0Cr18Ni9的不锈钢作为夹具材料时能够保证计数器电器元件正常工作。

4 计数器热传递试验

为对上述分析结果进行进一步验证，本文对计数器的热特性进行了试验研究。分别采用牌号0Cr18Ni9的不锈钢和牌号6061的铝材作为计数器夹具制作计数器测试样品。将制作好的计数器测试样品安装固定在模拟枪管上。通过加热装置对模拟枪管进行持续加热，同时采用数字温度计实时记录枪管的温度变化情况，将模拟枪管温度加热至260℃，并维持此温度；在计数器腔体内部放置温度传感器，实时测量并记录计数器腔体内部的温度变化情况。

图5、图6分别是采用0Cr18Ni9不锈钢和6061的铝材质夹具时模拟枪管与计数器腔体内部的温度变化曲线。从图5可以看出，采用不锈钢材质的夹具时，枪管从室温16℃上升至260℃用时不到3min，此时计数器腔体内部温度为21.4℃；随后，在枪管温度持续稳定在260℃左右的过程中，计数器腔体内部温度继续呈上升趋势，在经过51min时达到极值50.8℃，之后一直稳定在50.8℃，达到温度平衡；在60min后停止加热。从图6可以看出，采用6061铝材质的夹具时，枪管温度从室温16℃上升至260℃用时不到3min，此时计数器腔体内部温度为29.5℃；在枪管温度持续稳定在260℃左右的过程中，计数器腔体内部温度同样继续呈上升趋势，在经过33min时达到极值127℃，之后一直稳定在127℃，达到温度平衡；在60min后停止加热。

图5 采用0Cr18Ni9不锈钢夹具时的温度变化曲线

图6 采用6061铝夹具时的温度变化曲线

为更好地将仿真结果与试验结果进行分析对比，分别对采用0Cr18Ni9不锈钢和6061的铝材质夹具的计数器稳态热仿真分析数据进行整理，将仿真过程中各时间点的温度情况进行记录并拟合，得到瞬态热分析曲线，同时结合图5、图6中采用上述2种材料作为夹具时的实际温度分布曲线进行拟合对比，其结果如图7和图8所示。可以看出,仿真分析结果与实际试验结果得到的温度变化趋势基本相同。从仿真分析结果可知，采用不锈钢夹具时计数器腔体内部稳态温度为48.5℃，而采用6061铝夹具时计数器腔体内部稳态温度为135.7℃；而实际实验得到的结果显示，采用不锈钢夹具时计数器腔体内部温度达到平衡时为50.8℃，而采用6061铝夹具时计数器腔体内部温度平衡时温度为127℃。可以看出，仿真分析和实际实验得到的数据基本吻合，仿真分析结果的合理性及准确性得到了较好的验证。

图7 采用0Cr18Ni9不锈钢夹具时的瞬态热分析曲线

图8 采用6061铝的夹具瞬态热分析曲线

5 结 论

针对计数器夹具的热特性，本文首先分析了夹具导热系数对于计数器内部的电器元件温度影响较大，在夹具面积一定情况下，通过拟合一般材料的热传导系数的分布情况，进行仿真优化分析，得到满足计数器内部电器元件正常工作温度条件下的夹具的热传导系数为λ≤36W/(m·℃)。同时，本文基于2种常用的金属材料0Cr18Ni9不锈钢及6061铝材，对计数器夹具的稳态热特性进行了仿真分析，分析结果显示：采用0Cr18Ni9不锈钢材质作为夹具时，计数器内部稳态温度能够满足电器元件温度要求。此外，进一步分别使用0Cr18Ni9不锈钢及6061铝材制作了2种夹具，并对计数器的热特性开展了实际试验研究，试验结果与仿真分析结果基本一致，仿真分析结果的合理性及准确性得到了较好的验证。