復合材料纏繞金屬內襯身管的減重設計

　　摘要：連續纖維增強復合材料作為比強度較高的新型材料，在軍事領域已被廣泛應用。火炮作為陸軍的重要武器裝備，存在質量較大的不足。本文基于最小質量原則，提出了一種復合材料纏繞金屬內襯身管的減重設計方案。通過計算連續纖維增強復合材料的厚度和纏繞角度，并采用分段式設計，使復合材料的整體性能滿足身管的設計要求同時，質量最小，從而達到減少火炮身管質量的目的。最后使用有限元法，驗證了基于本文提出的設計方案設計的130mm口徑50倍徑火炮的力學性能。仿真結果表明，基于本方案設計的身管滿足設計要求，同時可以降低身管質量，提高火炮機動性。

　　關鍵詞：復合材料身管;纏繞角度;有限元;減重設計

　　身管是炮身的主體，是火炮的核心部件，作為賦予彈丸初速度和確定彈丸飛行方向的重要結構，其內部需要承受火藥等燃燒時產生的巨大壓力，因此傳統身管的厚度較大，但由于所使用的材料比強度較小，導致火炮質量較大，不利于火炮的機動性。

　　隨著現代戰爭的發展，在保證火炮身管強度等安全條件的前提下，進一步減少炮身的質量，是火炮身管的重要發展趨勢。連續纖維增強復合材料具有比強度高的優點，同時具有優異的可設計性，其在承壓容器上已被廣泛應用。身管在彈丸發射的過程中需要承受時變和作用位置變化的火藥燃氣壓力。作為承受變壓力的容器，身管可以采用類似的結構進行設計，以達到進一步減少質量的目的，從而提高火炮的機動性，適應現代戰爭的發展。

　　復合材料的耐燒蝕性能、耐磨性能較差，可以通過添加金屬或陶瓷內襯來完成設計。國外研究人員在復合材料纏繞金屬內襯身管領域的發展較早[13]：美國洛克希德公司采用復合材料技術研制了多款迫擊炮，較鋼制炮身，火炮整體質量降低62%;美國研發的“紅眼”系列導彈采用了玻璃纖維復合材料發射筒，極大地減小了質量;英國“勞80”發射筒使用凱夫拉纖維等。

　　國內相關機構和人員也對此進行了研究：徐亞棟[4]通過研究復合材料的力學性能，建立了復合材料身管的力學性能特征;陳龍淼等[5]研究了金屬內襯厚度對復合材料纏繞身管的熱影響;劉暢等[6]通過建立有限元模型，研究了復合材料層與身管黏結失效的問題;譚繼宇等[7]以無后坐力炮為研究對象，設計了復合材料纏繞的新炮身。筆者基于最小質量原則，提出了新的復合材料纏繞內襯身管的設計方案，并以前蘇聯130mm口徑50倍徑B13艦炮身管為研究對象，對比了新的設計方案與舊有結構。

　　1身管設計的數學模型

　　1.1內襯設計

　　連續復合材料纏繞內襯身管中，金屬內襯與彈丸和裝藥及其燃燒氣體直接接觸，在設計時主要考慮其耐燒蝕性能和耐磨性能。在設計時需要確定內襯的厚度，其可通過內襯所使用的材料和預期其所承受的壓力來確定。對于內襯，其軸向受力遠小于徑向受力，因此在設計時，為保證內襯材料的強度和剛度，可以只考慮徑向壓力。文獻[8]提出絲緊身管內襯厚度為身管口徑的0.25倍。相較于絲緊身管的鋼絲，復合材料具有更大的剛度和強度，因此可以適當減小金屬內襯的厚度。

　　1.2連續纖維復合材料層的設計

　　由火炮身管的受力分析可知，身管在軸向和徑向這兩個垂直的方向上受力并不相同，因此，通過設計連續纖維的鋪層角度和鋪層順序達到身管在徑向和軸向上的受力要求，可以極大地降低身管的總體質量。根據文獻[8]可知，火炮在徑向主要受到裝藥燃燒產生的高壓氣體對身管壁的壓力。由內彈道變化規律可知，發射時身管任一截面的最大壓力是該截面位置的函數。

　　火炮在軸向主要受到高壓氣體作用在身管底部的壓力，以及彈丸在身管內運動時與膛線產生的擠壓和摩擦的軸向力�；鹚幦紵�的高壓氣體作用在身管底部的壓力與該氣體作用在彈丸底部驅使彈丸與身管內膛線擠壓摩擦的軸向分力的差值，是身管在發射時產生向后運動的原因。對于復合材料外殼的設計而言，軸向受力分析需忽略該運動，則其軸向應力由彈丸的運動產生，從文獻[8]可知，彈丸對身管的軸向力是任一截面位置的函數。

　　根據前文分析，為滿足身管在軸向和徑向上的強度要求，外層復合材料的設計應滿足復合材料縱向和橫向的強度比與身管周向和軸向的受力比相同，則該值也為任一截面的函數。相較于火炮的金屬內襯的外徑，外層復合纖維的厚度較小，故采用薄殼理論進行設計。為防止因各段復合材料的交接處因厚度突變產的材料失效，同一層的環狀纏繞層應貫穿所有復合材料段。為避免復合材料與后座復進機構產生摩擦，炮身后段采用全金屬炮身。

　　2建模與仿真

　　在身管尾端添加固定約束，模擬炮尾對其的約束。在身管內部添加高低溫壓力設計曲線對應位置的壓力，根據分析，身管在作用壓力的階段，最大徑向位移不超過0.33mm，滿足剛度的設計要求，同時金屬內襯所受最大應力不超過925MPa，滿足金屬內襯強度的設計要求。在身管內襯與復合材料的軸向交接處，金屬內襯存在臺階突變，為防止此處因應力集中產生失效，對該處網格加密后分析。

　　由此可以看出，在該處的最大應力不超過600MPa，滿足設計要求。復合材料外殼的強度分析采用最大應力，最大應變，蔡-吳準則進行分析。即與金屬內襯接觸層。根據失效分析結果可知，失效分析結果最大值不超過0.4，滿足復合材料強度等的設計要求。采用復合材料纏繞金屬內襯的設計方案，130mm口徑50倍口徑的身管質量為900.81kg，相較于采用全金屬身管的70kg，降低了約34.2，可以極大降低整炮質量，提高火炮的機動性。

　　3結論

　　本文基于最小質量原則，根據復合材料纏繞技術的設計方法，提出了復合材料纏繞金屬內襯身管的設計方案，主要計算了復合材料纏繞層的厚度和纏繞角，并通過建模和有限元分析的方法，驗證了采用該方案設計的130mm口徑50倍身管設計的可行性。

　　參考文獻

　　[1]徐亞棟.復合材料身管結構分析與優化研究[D].南京:南京理工大學,2006:17.

　　[2]沈華.復合材料身管結構分析和優化[D].南京:南京理工大學,2004:29.

　　[3]汪洋.大張力纏繞復合材料身管的力學分析與結構優化[D].武漢:武漢理工大學,2018:19.

　　[4]徐亞棟,錢林方,陳龍淼.復合材料身管三維有限元分析與結構優化[J].彈箭與制導學報,2005,25(4):209212.

　　[5]陳龍淼,錢林方.金屬內襯對復合材料身管熱性能影響分析[J].兵工學報,2008,140(11):13031307.

　　[6]劉暢,楊國來,范雪坤,等.復合材料身管的動態沖擊響應分析[J].彈道學報,2020,32(4):7682,96.

　　[7]譚繼宇,張效天,張魏友,等.基于復合材料纖維纏繞增強技術的身管減重設計[J].兵器裝備工程學報,2021,42(1):5054.

　　[8]潘玉田.炮身設計[M].北京:兵器工業出版社,2007:1217:5165.

　　作者：郭靖宇1，呂佳鎂2，郭保全3，KhazievAlexey1，李必天1，潘玉田3

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