基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:安徽省自然科学基金项目()国家自然科学基金项目()作者简介:吴斌()男博士教授:.:./.基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究吴 斌司东亚郑 靖白雪莲李 坤罗天放黄 欣邹志强(陆军炮兵防空兵学院 合肥)摘要:火炮发射过程中产生的烧蚀磨损和疲劳使身管性能逐渐衰退直至不能使用更为严重的是时而发生的膛炸事故对人员生命和武器装备安全构成威胁身管发射安全隐患始终存在 传统的身管寿命评估方法包括基于尺寸、图像、温度和初速变化来预测身管剩余使用寿命的方法尚不能科学、准确地评估身管健康状态和剩余使用寿命 针对该
2、问题在深入分析身管内膛损伤物理机制的基础上提出以发射时身管外壁面应变为损伤特征参数的身管健康监测方法揭示了应变与弹丸 身管 发射药系统之间的内在映射关系阐释了该方法的基本原理以及如何用于评估身管剩余使用寿命 火炮实弹射击数据和数值模拟结果均证实了该方法的科学性、可靠性和实用性关键词:身管烧蚀磨损疲劳寿命评估健康监测应变可行性本文引用格式:吴斌司东亚郑靖等.基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言火炮是以发射药为能源用身管发射弹丸等战斗部的武器 发射时弹丸(含引信)和发射药是一次性使用的而身管需
3、反复使用必须满足一定的寿命指标 通常情况下弹丸发射过程不大于 发射药燃烧温度 最大膛压 初速 /因此瞬时性、强载荷、极端环境构成了火炮工作特色疲劳和烧蚀磨损是影响火炮身管寿命的主要因素二者的耦合作用使身管内膛损伤随射弹发数的增加而不断加剧 一方面内膛直径沿身管轴向位置不同程度的增大尤其是坡膛和膛线起始部磨损最为严重造成弹丸不能准确定位弹带与身管内膛配合不能有效密封火药燃气和传递扭矩导致弹丸初速、稳定性逐渐下降、射击精度丧失另一方面内膛表面的网状裂纹形成了大量的应力集中源在冲击载荷作用下裂纹沿身管径向由内向外扩展微观裂纹向宏观裂纹发展一旦裂纹深度达到临界值继续射击将引起身管膛炸 通常情况下烧蚀磨
4、损造成身管内膛直径的扩大尚可利用测径仪等进行测量然而壁厚约 的身管其内壁裂纹在野战服役条件下很难被探测到发射的安全隐患始终成为一线官兵十分关注的现实问题身管寿命是在弹道性能降低到战术技术指标规定的允许值以下或发生疲劳破坏前身管所能发射的当量全装药的射弹数目二者分别称为身管磨损寿命和身管疲劳寿命 身管寿命受制于这 种寿命由此确定的寿命发数较少者就是身管的寿命 随着现代战争对火炮威力(射程、射速、射击精度等)要求的不断提高其发射环境愈来愈严酷时有发生的身管膛炸或胀膛现象成为制约火炮发展的瓶颈之一 发射时身管膛炸或胀膛一旦发生可能造成火炮损毁、人员伤亡在日常训练情况下不仅影响正常工作而且可能对有关人
5、员造成心理压力在战时甚至会贻误战机导致战斗失利身管寿命或者说身管剩余寿命一直是火炮设计和使用者最为关心的一个问题 火炮射击涉及到弹、炮、药以及环境、射击规范等诸多复杂因素身管寿命试验需要消耗巨大的人力、物力和财力因此如何准确评定身管健康和预测剩余使用寿命对保证发射安全性具有重要意义也是各国竞相攻关的重要理论与技术难题本文中在全面分析传统寿命评估方法存在的不足的基础上探讨了发射过程中的力学现象和身管损伤特征提出了基于应变的身管健康监测和寿命评估方法从物理机制的角度揭示了身管健康劣化过程为保证身管发射安全性提供了新方法 传统身管寿命评估方法.基于尺寸变化的身管寿命评估方法基于尺寸变化的身管寿命评估
6、方法有药室增长量法和膛内定点内径增大量法 种 以大口径线膛炮为例(见图)弹丸和发射药分装当弹丸装填到位后弹带与坡膛紧密接触从而使弹丸正确定位 就新炮而言第 发弹装填后弹底与药室尾端面之间的距离为 第 弹发射后增长为 随着射弹发数的增加坡膛和膛线不断磨损导致弹丸定位点逐渐前移 若令发射第 发弹后身管报废即测得的 达到临界值则有:()其中 据此建立射弹发数 与药室增长量 之间的经验关系即 ()()图 身管药室长度和膛径变化示意图.在部队使用中常用测量药室增长量来评定身管的等级 但是此种方法误差较大即使对同一类型的多门火炮而言在身管寿命终止时测量的药室增长量也不相同且分散较大 这种方法已废弃不再使用
7、类似地身管内膛直径随射弹发数增加而变大 通常选取膛线起始部向前 英寸(.)位置进行测量通过建立内径变化量 与射弹发数 的经验关系式以预测身管剩余寿命即有 ()()()式()中:为新炮的内径为设定的某型火炮兵 器 装 备 工 程 学 报:/./报废时的最大内径 例如美军 型 火炮身管内径增大量达到.时则寿命终止内膛定点直径测量方法较药室增长量法似乎更为合理些因此这种方法目前仍在某些场合应用 但实质上基于尺寸变化的身管寿命评定方法没有科学依据药室增长或膛径增大仅仅是身管内膛损伤的外在表象远未触及其损伤的内在物理机制事实上尺寸测量无法反映身管钢组织变化(见图 原始组织、热影响区、化学反应区)因此建立
8、的所谓射弹发数与药室增长量或内径增大量之间的经验关系式只能是不具有任何物理意义的数学表达式 例如由于身管内膛沿轴向的磨损不同且同一断面的磨损也不是均匀的所以同一个测量者对同一个断面的多次测量值也不相同测量结果准确性严重依赖于该测量者的经验等因素图 已发射身管断面金相组织.内膛定点直径测量方法不适用于内膛镀铬身管 图 所示为镀铬身管内膛损伤状况可以看到 区的铬层已经脱落 区的铬层尚未脱落但少许裂纹已穿透铬层 显然不能以 区或 区的身管内膛直径测量值来反映其损伤程度 区铬层中的穿透型裂纹也是无法测量的图 镀铬身管内膛损伤特征.基于图像变化的身管寿命评估方法火炮身管就形状而言可认为是一个厚壁圆筒 身
9、管口径通常在 以 /火炮身管为例其长度达 由于身管因发射造成的损伤发生在不易观察的内膛因此给研究造成了很大的困难 人们借助内窥镜(见图)等仪器对内膛进行观察发现在高温高压高速火药燃气以及弹丸弹带和导引部的作用下仅射击几发弹后内膛表面阴、阳线上就出现了裂纹起初以横向裂纹为主随着射弹发数的增加裂纹数目增多且纵向裂纹与横向裂纹交织在一起形成网状裂纹并不断加宽、加深 也就是说在身管不同寿命阶段内膛单位面积内的裂纹密度不同且呈逐渐增大趋势(见图)图 内窥镜.基于图像变化的身管寿命评定方法只能是一种定性的且较为粗糙的身管损伤程度评定方法即裂纹密度越大则身管损伤越严重其剩余使用寿命越少 事实上裂纹不仅在身管
10、内膛表面呈现(二维)而且沿身管径向由内向外扩展(三维)如图 中 区铬层中的裂纹因此这种方法只能作为评定身管内膛破坏程度的一种辅助手段图 身管内膛表面的裂纹.基于温度变化的身管寿命评估方法火炮发射时高温火药燃气对膛表金属快速加热在表层内形成很高的温度梯度产生较大的热应力 火药燃气中的、等与膛表金属反应生成较脆的、()等低熔点产物在高速火药燃气冲刷作用以及弹丸弹带和导引部的机械摩擦作用下去除 也就是说每发射一发弹在去除上一发弹发射过程中生成的化学影响层的(部分或全部)同时又生成新的化学影响层如此循环(见图 中的 区)因此通过建立磨损量和输入的热流密度、身管初始温度、身管膛表峰值温度等之间的关系式进
11、而预测身管剩余寿命 这种方法只适用于非镀铬身管内膛的正吴 斌等:基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究常磨损不适用于镀铬身管也不能反映身管钢材料组织、性能的变化以及裂纹的生成和扩展 应用这种方法计算身管内膛磨损量时需要测量热流和温度等物理量故只适用于在靶场条件下部队未有使用.基于初速变化的身管寿命评估方法身管内膛磨损改变了弹丸与身管之间的相互作用 坡膛和膛线起始部的磨损对弹丸挤进过程有显著影响 一方面弹丸不能正确可靠定位另一方面弹炮间隙增大导致挤进阻力减小进而引起最大膛压下降初速随之降低 因此通过测量每发弹的初速建立射弹发数 与初速下降量之间的关系式当初速下降到某一临界值时身管即
12、报废 通常在近炮口相距为 的 处安装传感器如光纤光栅应变传感器或电阻应变片由弹丸依次通过传感器 和 时捕获的峰值信号确定时间差 ()()()式()中:为第 发弹的炮口初速 为身管寿命终止时第 发弹初速事实上身管剩余寿命与炮口初速之间并无必然的联系 同一类型的多门火炮在寿命终止时其初速下降量并不相同而是在一个相对宽泛的范围内 对大口径线膛炮而言当其初速下降量达到 时仍然可以射击并满足战术要求 而对射击精度要求较高的坦克炮来说当初速下降量达到 时身管寿命即终止 此外内膛磨损并不是影响炮口初速下降的唯一因素综上所述基于尺寸变化和图像变化的身管剩余使用寿命评估方法属于静态检测方法即火炮停止射击利用测径
13、仪和窥膛镜进行测量和观察 基于温度变化和初速变化的身管寿命评估方法属于动态检测方法即在每一发弹射击时测量身管温度和初速 尽管传统的身管寿命评定方法对促进身管寿命研究发挥了一定的积极作用加深了人们对身管内膛损伤的理解进而发展了一些抵抗身管磨损和疲劳的技术并在一定程度上延长了身管的使用寿命但这些方法因未能深刻触及身管损伤的物理机制及其表征身管剩余寿命预测问题至今仍是身管武器发展中的一个瓶颈难题 基于应变的身管健康监测.发射过程中身管应力应变关系身管应力应变分析的依据是厚壁圆筒(壁厚与半径属于同一量级的圆筒)理论 以目前常用的单筒身管为例身管内外径分别为 和 承受的内外压分别是 和 径向应力()、周
14、向应力或环向应力()、轴向应力()分别为 ()()()()式()中:和 分别为身管内、外半径式()中:为常数对于身管钢来说泊松比 .为化简应变公式选取 /则径向应变()、周向应变()为 ()()()()式()中:为弹性模量当单筒身管发射时只有内压无外压即 若忽略轴向应力则联合式()、式()、式()和式()可计算得到身管壁内任一点处的应力、应变身管外壁面的周向应力等于其等效应力即 ()因此通过测量身管外壁面的周向应变 由式()就可以得到周向应力 再计算得到内压 一旦内压 确定后根据式()和式()就可以计算得到径向应变、等效径向应力 以及径向应力.基于应变的身管健康监测原理当一发弹射击时由弹丸、身
15、管和发射药组成的发射系统是确定的 因此在发射过程中身管外表面的应变包括径向应变、周向应变和轴向应变也相应确定 也就是说这些应变反映了弹丸和发射药对身管的作用(见图)身管外表面应变()与弹丸、身管、发射药相关参数之间的关系式可表达为 ()()式()中:为与弹丸有关的因素主要有弹带直径、弹带长度、弹带结构、弹带材料等为与身管有关的因素主要有膛线结构、膛线类型、坡膛结构以及身管内膛表面状态等为与发射药有关的因素主要有发射药种类装药量等图 身管外壁面应变的影响因素.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./对弹丸、身管和发射药组成的发射系统而言当弹丸和发射药类型确定后在火炮射击历史数据中第 发弹的发射条件
16、是新弹、新药、新炮后续发射则是新弹、新药、旧炮弹丸和发射药均是一次性使用的身管在报废之前却是要反复使用的在发射第 发弹后身管损伤过程就开始了对线膛炮而言弹带的直径比阴线直径略大些如美 榴弹炮身管阳线直径为.阴线直径为.弹带直径为.弹带与阴、阳线的单边过盈量分别为.和.第 发弹发射时弹丸弹带与身管内膛阴、阳线的过盈配合量是最大的因此二者之间的作用力是最大的反映到身管外表面的应变也是最大的 随着射弹的增加内膛磨损使膛径增大过盈量呈逐渐减小趋势身管钢组织、性能也发生相应变化这些都导致弹带与阴、阳线之间的相互作用不断减弱身管外表面应变也相应减小 一旦弹带与阴、阳线配合不可靠就可能引起高速火药燃气从弹带
17、和膛壁之间的缝隙中冲出这个冲刷作用是加速内膛烧蚀的主要原因 当坡膛磨损后弹带与坡膛的接触点前移导致药室容积增大引起发射药燃烧生成的火药燃气压力降低同样会使身管外表面应变减小(见图)所以说任一发弹射击时在身管外壁面产生的应变包含了弹、炮、药 者的综合信息 因此以应变作为身管损伤状态特征值通过监测火炮发射过程中身管外壁面应变的变化规律就可以准确评估身管健康状况进而预测身管剩余寿命图 不同损伤条件下的弹丸 身管相互作用示意图.假设身管发射 发弹后报废建立射弹发数 与应变变化量之间的关系式为 ()()()式()式()中:和 分别表示第 发和第 发弹发射过程中身管外壁面应变表示第 发和第 发弹发射时身管
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