复合材料缠绕金属内衬身管的减重设计

　　摘要：连续纤维增强复合材料作为比强度较高的新型材料，在军事领域已被广泛应用。火炮作为陆军的重要武器装备，存在质量较大的不足。本文基于最小质量原则，提出了一种复合材料缠绕金属内衬身管的减重设计方案。通过计算连续纤维增强复合材料的厚度和缠绕角度，并采用分段式设计，使复合材料的整体性能满足身管的设计要求同时，质量最小，从而达到减少火炮身管质量的目的。最后使用有限元法，验证了基于本文提出的设计方案设计的130mm口径50倍径火炮的力学性能。仿真结果表明，基于本方案设计的身管满足设计要求，同时可以降低身管质量，提高火炮机动性。

　　关键词：复合材料身管;缠绕角度;有限元;减重设计

　　身管是炮身的主体，是火炮的核心部件，作为赋予弹丸初速度和确定弹丸飞行方向的重要结构，其内部需要承受火药等燃烧时产生的巨大压力，因此传统身管的厚度较大，但由于所使用的材料比强度较小，导致火炮质量较大，不利于火炮的机动性。

　　随着现代战争的发展，在保证火炮身管强度等安全条件的前提下，进一步减少炮身的质量，是火炮身管的重要发展趋势。连续纤维增强复合材料具有比强度高的优点，同时具有优异的可设计性，其在承压容器上已被广泛应用。身管在弹丸发射的过程中需要承受时变和作用位置变化的火药燃气压力。作为承受变压力的容器，身管可以采用类似的结构进行设计，以达到进一步减少质量的目的，从而提高火炮的机动性，适应现代战争的发展。

　　复合材料的耐烧蚀性能、耐磨性能较差，可以通过添加金属或陶瓷内衬来完成设计。国外研究人员在复合材料缠绕金属内衬身管领域的发展较早[13]：美国洛克希德公司采用复合材料技术研制了多款迫击炮，较钢制炮身，火炮整体质量降低62%;美国研发的“红眼”系列导弹采用了玻璃纤维复合材料发射筒，极大地减小了质量;英国“劳80”发射筒使用凯夫拉纤维等。

　　国内相关机构和人员也对此进行了研究：徐亚栋[4]通过研究复合材料的力学性能，建立了复合材料身管的力学性能特征;陈龙淼等[5]研究了金属内衬厚度对复合材料缠绕身管的热影响;刘畅等[6]通过建立有限元模型，研究了复合材料层与身管黏结失效的问题;谭继宇等[7]以无后坐力炮为研究对象，设计了复合材料缠绕的新炮身。笔者基于最小质量原则，提出了新的复合材料缠绕内衬身管的设计方案，并以前苏联130mm口径50倍径B13舰炮身管为研究对象，对比了新的设计方案与旧有结构。

　　1身管设计的数学模型

　　1.1内衬设计

　　连续复合材料缠绕内衬身管中，金属内衬与弹丸和装药及其燃烧气体直接接触，在设计时主要考虑其耐烧蚀性能和耐磨性能。在设计时需要确定内衬的厚度，其可通过内衬所使用的材料和预期其所承受的压力来确定。对于内衬，其轴向受力远小于径向受力，因此在设计时，为保证内衬材料的强度和刚度，可以只考虑径向压力。文献[8]提出丝紧身管内衬厚度为身管口径的0.25倍。相较于丝紧身管的钢丝，复合材料具有更大的刚度和强度，因此可以适当减小金属内衬的厚度。

　　1.2连续纤维复合材料层的设计

　　由火炮身管的受力分析可知，身管在轴向和径向这两个垂直的方向上受力并不相同，因此，通过设计连续纤维的铺层角度和铺层顺序达到身管在径向和轴向上的受力要求，可以极大地降低身管的总体质量。根据文献[8]可知，火炮在径向主要受到装药燃烧产生的高压气体对身管壁的压力。由内弹道变化规律可知，发射时身管任一截面的最大压力是该截面位置的函数。

　　火炮在轴向主要受到高压气体作用在身管底部的压力，以及弹丸在身管内运动时与膛线产生的挤压和摩擦的轴向力。火药燃烧的高压气体作用在身管底部的压力与该气体作用在弹丸底部驱使弹丸与身管内膛线挤压摩擦的轴向分力的差值，是身管在发射时产生向后运动的原因。对于复合材料外壳的设计而言，轴向受力分析需忽略该运动，则其轴向应力由弹丸的运动产生，从文献[8]可知，弹丸对身管的轴向力是任一截面位置的函数。

　　根据前文分析，为满足身管在轴向和径向上的强度要求，外层复合材料的设计应满足复合材料纵向和横向的强度比与身管周向和轴向的受力比相同，则该值也为任一截面的函数。相较于火炮的金属内衬的外径，外层复合纤维的厚度较小，故采用薄壳理论进行设计。为防止因各段复合材料的交接处因厚度突变产的材料失效，同一层的环状缠绕层应贯穿所有复合材料段。为避免复合材料与后座复进机构产生摩擦，炮身后段采用全金属炮身。

　　2建模与仿真

　　在身管尾端添加固定约束，模拟炮尾对其的约束。在身管内部添加高低温压力设计曲线对应位置的压力，根据分析，身管在作用压力的阶段，最大径向位移不超过0.33mm，满足刚度的设计要求，同时金属内衬所受最大应力不超过925MPa，满足金属内衬强度的设计要求。在身管内衬与复合材料的轴向交接处，金属内衬存在台阶突变，为防止此处因应力集中产生失效，对该处网格加密后分析。

　　由此可以看出，在该处的最大应力不超过600MPa，满足设计要求。复合材料外壳的强度分析采用最大应力，最大应变，蔡-吴准则进行分析。即与金属内衬接触层。根据失效分析结果可知，失效分析结果最大值不超过0.4，满足复合材料强度等的设计要求。采用复合材料缠绕金属内衬的设计方案，130mm口径50倍口径的身管质量为900.81kg，相较于采用全金属身管的70kg，降低了约34.2，可以极大降低整炮质量，提高火炮的机动性。

　　3结论

　　本文基于最小质量原则，根据复合材料缠绕技术的设计方法，提出了复合材料缠绕金属内衬身管的设计方案，主要计算了复合材料缠绕层的厚度和缠绕角，并通过建模和有限元分析的方法，验证了采用该方案设计的130mm口径50倍身管设计的可行性。

　　参考文献

　　[1]徐亚栋.复合材料身管结构分析与优化研究[D].南京:南京理工大学,2006:17.

　　[2]沈华.复合材料身管结构分析和优化[D].南京:南京理工大学,2004:29.

　　[3]汪洋.大张力缠绕复合材料身管的力学分析与结构优化[D].武汉:武汉理工大学,2018:19.

　　[4]徐亚栋,钱林方,陈龙淼.复合材料身管三维有限元分析与结构优化[J].弹箭与制导学报,2005,25(4):209212.

　　[5]陈龙淼,钱林方.金属内衬对复合材料身管热性能影响分析[J].兵工学报,2008,140(11):13031307.

　　[6]刘畅,杨国来,范雪坤,等.复合材料身管的动态冲击响应分析[J].弹道学报,2020,32(4):7682,96.

　　[7]谭继宇,张效天,张魏友,等.基于复合材料纤维缠绕增强技术的身管减重设计[J].兵器装备工程学报,2021,42(1):5054.

　　[8]潘玉田.炮身设计[M].北京:兵器工业出版社,2007:1217:5165.

　　作者：郭靖宇1，吕佳镁2，郭保全3，KhazievAlexey1，李必天1，潘玉田3

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