基于脉冲激光加热的火炮身管温度场分析*

张朝红，辛志杰，2，董 振，2，陈振亚，2，武 涛，陈肖玮

（1.中北大学，太原 030051；2.山西省深孔加工工程技术研究中心，太原 030051）

0 引言

战场对火炮射击精度、环境适应能力及寿命等有了更高的要求。身管在火炮发射时对炮弹起导向作用，并承受高速、高温和高压气体的冲刷。身管对火炮的射击精度等起着重要的作用，身管寿命决定着火炮寿命，是火炮寿命研究的重要对象［1-3］。

目前，很多国内外学者对火炮身管热烧蚀的温度变化规律以及对脉冲激光加热在各个领域的应用进行了大量研究。P.J Cote 利用激光对炮膛冲蚀机理进行了研究，在不同气体环境下进行试验，得出了内膛表面变化的影响因素［4］；彭克侠和杨艳峰应用仿真软件，建立火炮身管模型并对其内外壁的受热进行仿真，得出在不同发射速度和环境温度下身管温度场的分布规律［5-6］；苏艳芳对脉冲激光焊接的温度场进行仿真分析，发现其温度呈周期性波动变化规律［7］。C.Leone 和潘松等人针对激光加热在切割、烧蚀等方面的应用作了相关的研究［8-9］；彭小敏针对在火炮发射时，身管内壁受烧蚀磨损影响火炮发射精度和寿命，研究了身管烧蚀及其防护技术［10］。

以上学者针对身管受热的温度变化规律、脉冲激光加热等作了大量研究，但很少把脉冲激光加热技术应用于对身管受周期性热冲击的研究［11-13］。本文通过对火炮实弹发射与脉冲激光加热身管进行仿真，发现了两种情况下身管受热规律相符，设计了高温脉冲激光加热系统，做了初步试验。为火炮寿命研究提供了新的思路，为身管在高温脉冲作用下的相关研究提供了一种新的研究方法。

1 身管受热理论分析

1.1 瞬态热力学方程

基本假设：身管的初始温度与其所处环境温度相一致；炮弹与身管内壁间的摩擦及其产生的热效应忽略不计；温度场具有轴向对称性。

在火炮发射过程中，火药引爆瞬间使炮膛内产生高温高压气体，当炮弹发射出去后膛内气体又恢复到室温，所以身管内壁所处气体环境的温度随时间的变化而变化。即身管受热形成温度场是瞬态热力学分析问题，其瞬态热力学分析方程如下式：

1.2 边界条件

火炮在发射炮弹的过程中，身管内壁受热可分为两个阶段：第1 阶段身管内气体温度在瞬间由环境温度上升到最高温度，并持续很短时间，在这段时间内身管内壁与膛内气体形成强制对流换热。强制对流换热系数αg可由下式计算得到：

式中，tp为弹丸在膛内运动时间。

第2 阶段炮弹发射后，环境空气迅速流入身管内，身管内外壁气体环境一致。此时身管内外壁与气体环境形成自然对流换热，采用相同的自然对流换热系数。火炮在连续发射时身管内壁的受热情况就是两个阶段的无间断循环。

在火炮发射的整个过程中，身管外壁与环境气体始终处于自然对流传热中。可以将身管外壁与空气之间的自然对流传热模型简化，视其为水平圆柱自然对流传热模型。自然对流换热系数可由以下公式求得：

式中，GrD称格拉晓夫数，D 为火炮身管外径，TE为火炮身管外壁温度，T∞为火炮身管初始温度，v 为空气粘度。

2 仿真分析

仿真分为两部分，对火炮实弹发射与脉冲激光加热身管时温度变化的仿真。

本文以某型火炮为例，假设环境温度恒为22℃，射速为6 发/min，对火炮发射身管的温度变化进行仿真。对火炮在1 min 内连续发射6 发子弹后，再自然冷却40 s的这段时间内的身管温度进行仿真计算。

2.1 火炮实弹发射时身管温度变化仿真

取外径70 mm，内径50 mm，长10 mm 的一段身管的1/8 来作为仿真的几何模型。建立身管模型并划分网格如图1 所示。

图1 8/1 身管有限元模型

在工程数据属性中增加新材料SGCL，设置热力学仿真的密度参数ρ、导热系数参数h、比热容C，并把新材料的属性赋予给模型体。材料性能参数如表1 所示。

表1 SGCL 材料性能参数

施加边界条件：火炮身管内壁交替施加强制与自然两种对流传热形式。在膛内气体温度瞬间上升到最高温度与炮弹发射出去之前的这段时间内施加强制对流传热；在发射出去后与下一发炮弹准备发射之前的时间内施加自然对流传热。内壁交替施加的强制与自然对流换热，不同换热系数的交替按时间节点进行设置。

由于外壁始终处于外界环境中，因此，每个分析步的温度设置都为环境温度22℃，对流系数都为50 W /（m2·℃）。火炮每发炮弹发射完成的时间为10 s，通过分析求解得到了温度云图。如图2 所示，火炮在第1 发炮弹发射与第2 发炮弹准备发射时，身管在以下几个时间节点的温度场分布情况：t=0.349 9 s，t=1.545 s，t=5.770 1 s，t=7.374 8 s，t=10 s，t=11.1 s。每种颜色代表一个温度区间。

图2 各时间点温度分布云图

从图2 可以看出，在第1 发炮弹发射过程中，内壁温度迅速上升又迅速下降，外壁温度逐渐上升，整体最高温度由内壁逐渐向外壁移动，在第2发炮弹准备发射时身管内壁又处于最高温度，身管第2 次受热。

图3 内外壁温度随时间变化曲线

通过分析求解得到了身管内外壁温度随时间变化曲线图，如图3 所示。由曲线图可以看出随着射击次数的增加，身管内外壁温度波动性上升，内壁忽增忽减的波动尤为明显，发射完成后内外壁温度趋于一致并缓慢下降。

2.2 脉冲激光加热仿真

脉冲激光器输出功率是呈周期性脉冲的，其中，脉冲峰值功率P0为1 700 W ，脉冲周期T 为10 s，脉冲脉宽 为15 ms。

取几何模型是棱长为20 mm 正方体，与实弹仿真身管模型的厚度一致。中间的圆形区域为激光的照射区域，如图4 所示。用Automatic 来划分网格并设置材料为SGCL。

图4 激光加热有限元分析模型

施加边界条件：在激光照射的表面设置强制对流传热以及热辐射条件，与自然对流传热的交替，不同换热系数按时间节点进行设置。脉冲周期和脉冲宽度可以用载荷步长步设置。对于与激光照射面相对的面，每个分析步的温度环境设置都为环境温度22℃，对流系数都为50 W /（m2·℃）。

图5 两表面温度随时间变化曲线

通过分析求解得到了两个表面温度变化曲线如图5 所示。由两表面温度随时间变化曲线可以得到，随着脉冲激光照射使表面循环受热，照射面的温度呈周期性波动上升。总体上看是呈上升趋势的，但上升幅度很缓慢。而另外一个面的温度一直在缓慢上升。

2.3 仿真结果对比分析

通过对以上两种仿真结果的分析，从图6 可以看出两种温度变化的总趋势都波动上升，但火炮实弹发射仿真总体上升趋势比脉冲激光加热仿真要快。

图6 结果对比图

脉冲激光加热仿真的温度比实弹试验仿真在每个峰值过后冷却的速度要快很多，造成这种情况的原因是，激光的照射面积很小，不同于火炮发射时身管内壁面全部受热。身管受热的温度变化曲线有一定的差别，但总体趋势和规律是一致的。

3 脉冲激光加热试验

通过对火炮实弹试验与激光脉冲加热身管的温度变化进行仿真，发现了两种情况下身管温度变化规律大致相同。同时利用脉冲激光的高度可控性，设计了脉冲激光加热系统，如图7 所示。

激光器发射出高能光束，通过中间的透镜照射到工件表面将其加热。激光功率的大小决定工件的受热温度；激光光斑的面积决定工件表面受热面积；工件两表面温度使用红外线测温仪测量。

系统中激光器通过软件来灵活设置激光脉冲的周期、占空比和波形，从而准确地控制身管表面加热的温度，模拟火炮连续发射炮弹时身管受高温冲击。同时通过设置参数的不同可实现对不同发射频率的模拟。

图7 脉冲激光加热系统示意图

取棱长为20 mm 的正方体炮管材料，与仿真模型相同方便进行对比。利用光能转化为热能将工件表面加热。脉冲激光加热试验系统的参数如表2所示。

表2 脉冲激光加热试验参数

根据表2 数据进行了初步的试验，实时观察了激光照射面与其相对面的温度变化情况。当脉冲激光照射时，工件表面温度骤增；当停止照射时，因为照射面积较小以及工件自身的热传导和热对流的作用，其表面温度又骤减，就这样依次循环。通过对比每次骤增达到的最高温度如表3 所示，最高温度是依次递增的。其相对面的温度一直缓慢上升。

表3 两个表面的最高温度

试验结果表明，激光加热试验与仿真的身管温度变化规律大致相同，受热面的温度都是波动上升，验证了此系统的可行性。此系统还可以通过设置不同的参数来模拟不同射速下火炮身管的受热，从而极大地简化了试验的条件，节约了资源，节省了试验费用，具有较高的实用价值。

4 结论

通过对火炮实弹试验与激光脉冲加热时身管的温度变化进行仿真，发现了两种情况下身管温度变化规律大致相同。利用脉冲激光的可控性，设计了脉冲激光加热系统，模拟了身管周期性受热。通过试验，得出了激光加热身管的温度变化规律与仿真相符，证实了此系统的可行性。在进一步的研究中，运用此系统获取火炮身管的测试数据，可以更有效和便捷地开展火炮身管寿命预测、故障诊断等研究工作，与传统的实弹试验相比节约了大量的时间、弹药和费用，为以后火炮寿命的研究提供了新的方法。