第２期（总第１２０期） Ｎｏ．２（ＳＵＭ Ｎｏ．１２０） 机械管理开发 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬ０ＰＭＥＮＴ ２０１１年４月 Ａｐｒ．２０１ｔ 薄壁身管强度分析 张 勇，潘玉田 （中北大学机电工程学院，山西太原０３００５１） 【摘要】 某型号步兵战车配有ｔ００ｍｍ低膛压火炮，该炮身管距炮口９４５ ｍｍ的范围内为薄壁圆筒。文章以该段薄 壁身管为研究对象，将其简化为内压薄壁圆筒，在只考虑切向应力的情况下，通过静力学理论分析和有限元分析（软件 ＡＮＳＹＳ）对其强度进行了求解和对比，结果证实两种方法虽均切实可行，但相比之下理式更为精确。 【关键词】 火炮身管；薄壁圆筒；ＡＮＳＹＳ 【中图分类号】ＴＪ３０２ Ｏ引 言 【文献标识码】Ａ 【文章编号】 １００３—７７３Ｘ（２０１ １）０２—００７４—０２ 火炮的轻量化是提高作战（尤其是轻型 或快速反应）战略和战役机动性的主要途径。在 满足战场需求的前提下，低膛压火炮降低了火炮膛压， 降低了火炮的总体重量，就可提高火炮的机动性。膛 压降低之后，身管壁厚虽可相应减小，但又可能引起身 管力学性能改变，这对身管壁厚的确定增加了难度 。 如果计算不够准确，将会产生不利影响，因此，本文对 低膛压火炮薄壁身管的极限强度进行分析。 １ 问题阐述 厚方向为常数，可以近似地以切向应力来代替其等效 应力。在ｙ轴方向上，由内压ｐ对身管产生的】，向分 力应平衡于由身管切向应力 产生的切向力Ｆ 和，：， 故ｌ，轴方向的受力平衡可得 堕 ２ａＬｔ＝ＬＩ Ｐ ｓｉｎ０ｄｓ＝０．５ＬＩ ｐｄｌ ｓｉｎ０ｄ０．（１） Ｆ１＋Ｆ２＝２ａＬｔ． ０．５ ｐｄ￣／ｔ． ＝（２） （３） 式（３）即为求解研究段薄壁身管的切向应力公式。 ３有限元分析 某型号步兵战车上１００ １ＴＩ１ＴＩ低膛压滑膛炮，该炮身 管距炮口９４５ ｍｍ的范围内，其内径ｄ１＝１０３ ｍｍ，外径 ｄ２＝１１８ ｍｍ，平均直径ｄ＝１１０．５ ｍｍ，壁厚ｔ＝７．５ ｍｍ。 该段身管所承受的压强／＇＝１６ ＭＰａ。身管材料参数如 下：泊松比肛＝０．２７，弹性模量Ｅ＝２．０６￣１０“Ｐａ，比例极 限ｏ＇ｐ＝ｌ １００ ＭＰａ，屈服极限ｍ＝ｌ ２００ ＭＰａ，强度极限 ｔｒ，＝ｌ ３００ ＭＰａ。 ２公式推导 工程界通常是将壁厚小于平均直径的１／１０圆筒 称为薄壁圆筒。本文研究的身管段壁厚ｔ＜ｄ／ｌＯ，应为 薄壁圆筒 。为使问题简化，可对该段身管假设如下 ，：１）形状是理想的圆筒形，只有微小变形；２）材料是 均质、弹性、各向同性的；３）沿筒壁厚度方向没有压力 梯度。 图１为研究对象的受力分析图，将其简化为长度 为 的承受内压的薄壁圆筒。 图２研究段身管的有限元模型 图３研究段身管的切向应力图 首先应建立所研究段身管的有限元模型，见图２，斗等 其简化为平面问题。有限元模型建立后，输入其材料 基本参数，并对其划分网格，根据受力分析对其加载求 图１研究段身管受力分析图 由内压所产生的径向应力 （与切向应力Ｏ＇ｔ和轴 向应力 相比）非常小，可以忽略不计；轴向应力沿壁 解，可得出所研究段身管各点的切向应力图，见图３。 经对公式的求解和ＡＮＳＹＳ有限元分析，得到研究段 身管应力结果，并与技术说明中的数据进行对比，见表１。 收稿日期：２０１０－０８—２６；修回日期：２０１０—１２—２７ 作者简介：张勇（１９８６一），男，山东济南人，在读硕士研究生，主要研究方向：武器系统现代设计理论与方法。 ・７４・ 第２期（总第１２０期） 表１对比结果 项目 外方所给 数据 １０３ １１８ ｌ６ 理论 计算 １０３ ｌｌ８ １６ 张勇，等：薄壁身管强度分析 ２０１１年４ 月 有限元 分析 １０３ ｌｌ８ ｌ６ 内径ｄ／ｍｍ 内径 ／ａｍ ｒ薄壁段所受内压／ＭＰａ 无论是利用理式还是利用ＡＮＳＹＳ软件，都可为薄 壁身管的强度计算提供较为精确的依据；但理式 所得结果与外方数据更为相近，故在进行薄壁身管的 强度计算时可优先选择理式。 参考文献 【ｌ１ Ｅ．Ｊ．赫恩．材料力学［Ｍ］．孙立谔，译．北京：人民教育出版 社，１９８１：１４３—１５４． 薄壁段所受应力／ＭＰａ 薄壁段材料强度极限／ＭＰａ 安全系数ｎ １１２ １ ３ｏ０ １１．６ ｌ１０ ｌ ３０ｏ １１．８ ｌ１８ １ ３ｏｏ １１．０ 【２］潘玉田．炮身设计［Ｍ】．北京：兵器工业出版社，２００７：２８—３６． 【３】杨增帅，袁玮，姚海兵．基于ＡＮＳＹＳ的内压薄壁圆筒壁厚计 算有限元研究 中国高新技术企业，．２００９（８）：９—１０． 【４】吴成金．我国２ｌ世纪大口径自行火炮发展方向的研究【Ｊ］．和 平科技，２０００（１）：１０一ｌ４． 【５］左民．承受内压的薄壁压力容器圆筒计算公式ｆＪ】．核工程 研究与设计，．２００９（７４）：４—７． ４结论 计算结果表明，应用理式和有限元软件ＡＮ． ＳＹＳ所求得的结果与外方所提供的基本相符。因此， Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｎ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ０ｆ ｔｈｅ Ｔｈｉｎ Ｇａｎ Ｂａｒｒｅｌ ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ．ＰＡＮ Ｙｕ－ｔｉａｎ ｆＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ。Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５ ｌ。Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｌｏｗ ｐｒｅｓｓ ａｒｔｉｌｌｅｒｙ ｗｈｉｃｈ ｃａｌｉｂｅｒ ｉｓ １００ｒａｍ ｏｎ ｓｏｍｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ｃｈａｒｉｏｔ．Ｔｈｅ ｐａｒｔ ｂａｒｒｅｌ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｌｌｅｒｙ ｔｈａｔ ９４５ｍｍ ａｐａｒｔ ｆｒｏｍ ｇｕｎ ｍｕｚｚｌｅ ｉｓ ｔｈｉｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｉｓ ｐａｒｔ ｂａｒｒｅｌ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔａｋｅｎ ａｓ ｓｕｂｊｅｃｔ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｂｅ ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ａｓ ａ ｔｈｉｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｗｈｉｃｈ ｗｉｔｈｓｔａｎｄｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｒｏｍ ｉｎｓｉｄｅ．’ｒｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｒｔ ｇｕｎ ｂａｒｒｅｌ ｗｉｌｌ ｂｅ ｓｏｌｒｅｄ ｔａｋｉｎｇ ＨＳｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅ． ｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ Ｏｆｆ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｎｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ．．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｐｒａｃｔｉｃａ１．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】 ＧＵＵ ｂａｒｒｅｌ；Ｔｈｉｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ＡＮＳＹＳ （上接第７３页） 精度低的现象，稳定了产品质量。经测算，与以往老式 热处理炉相比，节能最少达３Ｏ％，生产效率提高５０％ 左右。经济效益大大提高。至２００９年初，投人使用该 更新改造后的设备以来，采用亚高速烧嘴，提高了燃烧 效率，节省了燃料，又减少了废气中ＮＯ 的排放量，达 到了环保要求。 ５结束语 燃气式热处理炉节能技术改造，充分利用了原炉 体结构、台车导轨和地下烟道，对炉衬结构材料进行了 改造，燃烧系统采用自动化控制系统和废热回收再利 图１燃气炉操作界面图 用技术，提高了炉温均匀性，降低了废气中ＳＯ 、ＮＯｘ含 量、达到了节能降耗的目的。 参考文献 ４技术参数和经济指标分析 以３台大型井式炉为例，其最高使用温度１ ０５０℃， 最大装炉量２５ ｔ，炉温均匀性实测≤５ ｏｃ（５ｏｏ～１ ０５０￣Ｃ）， 炉壳表面温升≤５Ｏ℃，克服了以往炉温不均匀，温控 【１】李治岷．我国热处理主要节能设备现状及其发展方向【Ｍ］． ／／中国热处理年鉴，北京：中国热处理行业协会，２００３：１１２． 【２］郑仲瑜，樊东黎．热处理设备节能技术的发展【Ｍ】．／／中国热 处理年鉴，北京：中国热处理行、ｌ 协会，２００３：１０７． Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｕｓｅｄ ｔｏ Ｇａｓ——ｔｙｐｅ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｆｕｒｎａｃｅ ｆｏｒ Ｓａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ ＸＵＥ Ｌｉ－ｒｕｉ，ＫｏＮＧ Ｆａｎｇ－ｇｕｉ，ＫＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｈｕｉ （Ｓｈａｎｘｉ Ｎｏｒｔｈ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏ．，ｈｄ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００９，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔｊ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｒｅｎｅｗ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｏｆ ｇａｓ—ｔｙｐｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆｕｒｎａｃｅ ａｂｏｕｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｏｆ ｆｕｒｎａｃｅ ｂｏｄｙ，ｒａｉｓ— ｉｎｇ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｕｓｅ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｓｕｃｃｅｅｄ ｉｎ ｅｃｏｎｏｍｉｚｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｇａｓ—ｔｙｐｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆｕｒｎａｃｅ；Ｅｃｏｎｏｍｉｚｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ；Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ・７５・
