自紧身管说明书

自紧技术的产生和发展是随着现代战争的需要和化工产品的需求而迅速发展达到一定的塑性变形引起有益的预应力(残余应力),这个残余应力能部分地抵消压早在19世纪末20世纪初，人们就已经将自紧原理作为提高炮身强度的一种手 中北大学2012届毕业设计说明书量采用自紧炮身提供了条件。身管自紧工艺有液压自紧法、冲头挤扩法(也叫机械自紧法)和爆炸法。液压类别较低的材料。例如90mm坦克炮，未采用自紧身管时要求屈服强度σs=命达到2530发。(4)由于自紧时对膛内施以高压，可及时发现和排除毛坯中(1)身管壁厚减薄，质量减轻，导致后坐速度增加，对反后坐装置分析自紧身管的应力状态的目的是为了了解身管经过自紧后其壁内的应力分中北大学2012届毕业设计说明书工程上常用过应变量来表示厚壁圆筒塑性区大小的程度。所谓过应变量是指塑性区的壁厚与圆筒壁厚之比的百分数，若用A表示过应变量则：假设身管材料为理想弹塑性材料，那么在达到100%过应变之后，即使不再加载塑性变形仍将继续扩大，直至破坏。我们把达到100%过应变所需要的载荷称为极限载荷(也叫最大自紧压力)。由于实际材料都存在一定的硬化现象(理想情况如图1.1中的斜虚线所示),所以在极限负荷状态，不再加载时，身管不会进一步图1.1材料拉伸应力应变曲线半弹塑性自紧管在自紧时的应力分布，如图1.2所示中北大学2012届毕业设计说明书第5页共46页a.在弹性区：其应力分布和内径为p,外径为b的单筒身管应力分布完全一样。由p处(应力最大),到外表面b处(应力最小),单调下降。若以相当应力2t表示，由p到b的变化规律可表示为：b.在塑性区：如果材料为理想弹塑性材料，根据第三强度理论按照Tresca屈服准则，2r=σs,相当应力分布为一水平线。若考虑实际材料的硬化现象，相当应力分布如图1.2虚线所示。c.对于全塑性状态的自紧管，其应力分布如图1.3所示。自紧管内的任意一点都达到了屈服极限，因此从a到p都满足Treca屈服准则2t=σs,其相当应力分布当考虑材料硬化时如图1.3中虚线所示。(2)自紧制造后的应力状态当管内自紧压力卸除后，身管各层将产生弹性恢复，但外层材料力图恢复原状而受到内层材料的阻碍。由于各相邻层之间有相互压力作用使内层受压，外层受拉，如同无数筒紧身管套在一起一样。图1.3自紧时全塑性自紧管壁内的应力分布应力分布如图1.4所示。在弹性区：由于整个弹性区可视为套在塑性区外的套筒，在卸载后，整个弹性区的弹性恢复受到塑性区的阻碍，表现为受拉状态。靠近p处由p向外逐渐减小，外表面相当应力最小。这和筒紧身管最外层情况类同，在塑性例如靠近p处的塑性层既受弹性区弹性恢复的外压，又受相邻内塑性层阻碍它恢复仍为正，但趋势由p向a逐渐减小。这是因为随着弹性恢复压力增加，受径向应力时，相当应力为0,此后相当应力均为负值，且逐渐增加，直到内膛表面或残余应力。图1.4中2rF称为相当应力，分布情况如上所述，图1.4中pF为径向可以得到合成的应力分布均匀一致，这样就提高了身管图1.5自紧身管发射时合成应力如图1.6所示是理想弹塑性材料的应力和压力曲线。从图中可以看出，自紧卸格效应和硬化，则自紧压力P₁就成了自紧身管工作b.忽略材料的鲍辛格效应现象称之为鲍辛格效应，其大小可用鲍辛格效应系数B表示。第9页共46页中北大学2012届毕业设计说明书注：B在一般情况下是一个小于1的数。c.忽略轴向力的影响(即认为o₅=0)机械自紧存在着较大的轴向力，而液压自紧的轴向力很小被忽略，但是轴向应力通过模拟发现始终是中间应力，依据Tresca屈服条件，轴向应力不影响屈服条件，因此借用液压自紧的公式是可行的。 中北大学2012届毕业设计说明书2.1机械自紧概述具。为了解决液压自紧遇到的上述问题，国外在五十年代后期发展了炮管的机械自紧法。所谓机械自紧(也叫机械挤扩自紧),是利用机械或液压作动力，使具应力分布，从而提高身管的弹性强度和疲劳寿命。其中机械自紧技术不需要高压到工程界的重视。根据过盈冲头通过身管的不同方式又的机械自紧试验也取得了满意的结果。实际上，很早苏联己将这种机械拉拔膛线80年代以来，我国的一些学者也致力于机械自紧的力学理论计算及实验的研究。例如：宋顺成和潘立功用炮钢模拟管做了一系列的机械自紧的模拟实验，测出了自紧过程中外表面的应变情况，由此值来间接计算弹塑性分界半径……但 中北大学2012届毕业设计说明书生产，并且易为工程设计人员所掌握。芮嘉白从轴对称弹塑性空间问题的所有基论分析模型，推导了可压缩情况下(v≠0.5)机械自紧各物理量的简明解析式。紧数值模拟。这样就可以通过软件分析出不同的过盈量下厚壁圆筒的各项残余应机械自紧法(又称挤扩自紧法)是用一个大于身管毛坯内径的冲头强力通过内以利挤入炮膛。炮膛产生塑性变形的大小由冲头对自紧扩时，冲头同身管间的压力相当于液压自紧贴合能可靠的紧塞液体。他们的工作原理如图2.1所示。采用液压冲头挤扩法由于图2.1冲头挤扩原理图(a)机械拉式(b)液压推式1.o型密封圈2.冲头3.拉杆4.身管毛坯5.高压液体6.拉杆运动方向中北大学2012届毕业设计说明书第12页共46页2.2机械自紧冲头的设计就自紧方法而言，有液压自紧，机械自紧和爆炸自紧三种方法。其中液压自紧法被广泛应用，而且国内外的研究工作者，对其理论研究和实验研究的工作也做得较为充分，所导出的计算公式成熟，应用方便。而机械自紧方法，由于其工艺简单，不需要像液压自紧那样解决超高压密封技术措施难题，受到国内外生产厂家的青睐，工程使用呈上升趋势。但是迄今为止，对其理论研究工作做得不够充分。根据自紧技术研究的实践和弹塑性理论，可以导出机械自紧冲头主直径的估算公式如下。(1)第一种方法在图2.2中，假设d₁——自紧前的管内径d₂——自紧前的管外径Dm——冲头设计直径dí——自紧后的管内径ui——机械自紧时，管内表面的径向位移uom—机械自紧时，冲头的径向位移中北大学2012届毕业设计说明书第13页共46页b=Rp₁=0则有：中北大学2012届毕业设计说明书紧恰恰存在着不可忽略的轴向应力，故利用上式设计冲头直径时，有一定的近似性。(2)第二种方法美国工程手册中，自紧身管内表面的径向位移的计算公式为该公式推导的前提是：身管为100%过应变的自紧管，假定机械自紧管变形前后截面面积保持不变。实践证明，该假设基本符合实际，因为根据塑性力学形变理论，塑性变形只引起形状改变，而体积保持不变。在100%过应变下，机械自紧管的体积在变形前后保持不变，又因为对长径比很大的管子，可视为平面应变问题(即轴向应变为零，ε₂=0),所以自然就可得出自紧前和自紧过程中，面积保持不变的结论。π(b+un)²-π(a+u₄)²=πb²+2buo+u}-a²-2aua-ua=b整理，忽略高阶微小量则有：变关系，可表示为：中北大学2012届毕业设计说明书现讨论刚刚达到100%过应变时，即外表面刚脱离弹性区，进入塑性状态，故E'=E< 中北大学2012届毕业设计说明书或者已知冲头直径，就可以设计模拟管的直径d₁可利用冲头直径Dm和机械自紧身管内径永久胀大量的关系推导之。我们定义机械自紧身管内膛弹性回复百分数为ER,它等于：upm=2ugm为机械自紧时，冲头的弹性恢复量(外面的径向位移);(1)对冲头我们将冲头看作是一个a=0,b=Rm,p¹=0,p²=-pǐ=-1.08σsInw我们将自紧管视为是这样的一个厚壁圆筒： 中北大学2012届毕业设计说明书带入计算，结果相同。本文所设计的冲头是125mm滑膛炮身管机械自紧用冲头，由于身管的许多数据第18页共46页都是估计值，所以可以参照美105榴弹炮身管挤扩自紧用冲头来设计冲头，假定身管自紧前毛坯内膛直径为121.4mm,毛坯内外径比设为2.2,材料热处理后的σ₅=1097.6～1303.4MPa。利用autocad软件分析，得到冲头主要尺寸如图2.3第19页共46页身管为双线性材料，冲头为线弹性材料，具体参数如下表4.1:表4.1材料参数碳化钨泊松比寸如上图2.3所示，冲头的前锥角为1.5°,后锥角为3°,这样有利于挤进炮膛。身管内径2a=121.4mm,外径2b=267.08mm,过盈量δ=1.8,1.9,2.0,2.1……2.9。通过分析，身管机械自紧的有限元模型如图4.1所示：第20页共46页图4.1轴对称模型 中北大学2012届毕业设计说明书Solid,在第2个列表框中选择Quad4node82,在Elementtypereferencenumber输入栏中输入1;单击“apply”按钮，在第一个列表框中选择contact,在第2个列表框中选择2DTarget169,在Elementtypereferencenumber输入栏中输入2;单击“apply”按钮，在第1个列表框中选择contact,在第2个列表框中选择3ndsurf172,在Elementtypereferencenumber输入栏中输入3,单击“ok“按钮(3)在ElementTypes对话框中选择Type1下拉列表框中选择Gap/Penetration,单击“OK”按钮RealContantSetNumber2,forTARGE169对话框，参照如图4.2所示对其进行(2)在MaterialModelsAvailable列表框中依次双击Stru第22页共46页中北大学2012届毕业设计说明书22OKApply(3)在MaterialModelsAvailable列表框中一次双击Structral、Nolinear、Bilinear选项，出项BilinearIsotropicHardingforMaterialNumber框，在YieldStss中输入1190e6,在TangMod中输入2.06e9。单击“OK”按钮(4)依次双击Structral、FrictionCoefficient选项，出现FrictionCoefficientforMaterialNumber1对话框，在MU输入栏命令，出现DefineMaterialID对话框，在输入栏中输入2,单击“OK”按钮关在MaterialModelsAvailable列表框中依次双击Structral、Linear、Elastic、Number2对话框。在EX输入栏中输入707e9,在PRXY输入栏中输入0.285,单击(7)依次双击Structral、FrictionCoefficient选项，出现FrictionCoefficientforMaterialNumber2对话框，在MU输入栏中输入0.1,单击“OK” 中北大学2012届毕业设计说明书在NPTKeypointNumber输入栏中输入关键点编号1,在X,Y,ZLocationinactiveCS输入栏中依次输入关键点坐标0,0,0,单击“apply”按钮，在NPTKeypointNumber输入栏中输入关键点编号2,在X,Y,ZLocationinactiveCS输入栏中依次输入关键点坐标0,0.20417,0,单击“apply”按钮，在NPTKeypointNumber输入栏中输入关键点编号3,在X,Y,ZLocationinactiveCS输入栏中依次输入关键点坐标0.06002,0.20417,0,单击“apply”按钮，在NPTKeypointNumber输入栏中输入关键点编号4,在X,Y,ZLocationinactiveCS输入栏中依次输入关键点坐标0.0616,0.17393,0,单击“apply”按钮，在NPTKeypointNumber输入栏中输入关键点编号5,在X,Y,ZLocationinactiveCS输入栏中依次输入关键点坐标0.0616,0.16631,0,单击“apply”按钮，在NPTKeypointNumber输入栏中输入关键点编号6,在X,Y,ZLocationinactiveCS输入栏中依次输入关键点坐标0.05725,0,0,单击“apply”按钮，在NPTKeypointNumber输入栏中输入关键点编号7,在X,Y,ZLocationinactiveCS输入栏中依次输入关键点坐标0.0607,0,0,单击“apply”按钮，在NPTKeypointNumber输入栏中输入关键点编号8,在X,Y,ZLocationinactiveCS输入栏中依次输入关键点坐标0.13354,0,0,单击“apply”按钮，在NPTKeypointNumber输入栏中输入关键点编号9,在X,Y,ZLocationinactiveCS输入栏中依次输入关键点坐标0.12387,-0.8,0,单击“apply”按钮，在NPTKeypointNumber输入栏中输入关键点编号10,在X,Y,ZLocationinactiveCS输入栏中依次输入关键点坐标0.0607,0,0,单击“OK”按钮关闭该对话框。StrainghtLine命令，出现CreatStrainghtLine菜单，在输入栏中输入1,2,单击“Appy”按钮，在输入栏中输入2,3,单击“Appy”按钮，在输入栏中输入3,4,单击“Appy”按钮，在输入栏中输入4,5,单击“Appy”按钮，在输入栏中输入5,6,单击“Appy”按钮，在输入栏中输入6,1,单击“Appy”按钮，在输入栏中输入7,8,单击“Appy”按钮，在输入栏中输入8,9,单击“Appy”按钮，在输入栏中输入9,10,单击“Appy”按钮，在输入栏中输入10,7,单击“OK”ByLines命令，出现CreatAreasbyLines菜单，在输入栏中输入1,2,3,4,5,6,单击“Apply”按钮，在输入栏中输入7,8,9,10,单击“OK”按钮关闭Lines|PickedLines命令，出现ElementSizeon菜单，在输入栏中输入1,单击“OK”按钮，出现ElementSizesonPickedLines对话框，在NDIVNo.elementdivisions输入栏中输入48,单击“Apply”按钮，出现ElementSizeon菜单，在输入栏中输入2,6,单击“OK”按钮，出现ElementSizesonPickedLines对话框，在NDIVNo.elementdivisions输入栏中输入12,单击“Apply”按钮，onPickedLines对话框，在NDIVNo.elementdivisions输入栏中输入6,单击“Apply”按钮，出现ElementSizeon菜单，在输入栏中输入4,单击“OK”按输入栏中输入2,单击“Apply”按钮，出现ElementSizeon菜单，在输入栏中输入5,单击“OK”按钮，出现ElementSizesonPickedLines对话框，在NDIVNo.elementdivisions输入栏中输入40,单击“Apply”按钮，出现ElementSizeon菜单，在输入栏中输入7,9,单击“OK”按钮，出现ElementSizesonPickedLines对话框，在NDIVNo.elementdivisions输入栏中输入15,单击“Apply”按钮，出现ElementSizeon菜单，在输入栏中输入8,10,单击“OK”按钮，出现ElementSizesonPickedLines对话框，栏中输入180,单击“OK”按钮关闭该对话框。Attribs命令，出现MeshingAttribute列表框中选择1,其余选项采用默认设置，单击“OK”按钮关闭该对话框。(6)选择MainMenu|Preprocessor|Meshing|Mes现MeshAreas菜单，在输入栏中输入2,单击“OK”按钮关闭该对话框。第25页共46页Attribs命令，出现MeshingAttributes对话框，在[MAT]Materailnumber下拉列表框中选择2,其余选项采用默认设置，单击“OK”按钮关闭该对话框。(8)选择MainMenu|Preprocessor|Meshing|Mesh|Areas|Free命令现MeshAreas菜单，在输入栏中输入1,单击“OK”按钮关闭该对话框。结果。如图4.3所示(10)选择UtilityMenu|Select|Entities命令，出现SelectEntities对话框，在第一个下拉列表框中选择Lines,在第二个下拉列表框中选择ByNum/Pick,在在第三栏中选择FromFull,单击“OK”按钮，出现SelectLines菜单，在输入栏中输入3,4,5,单击“OK”按钮关闭该菜单。 中北大学2012届毕业设计说明书第26页共46页在EntityComponentismadeof下拉选框中选择Lines,单击“OK”按钮关闭该话框，在第一个下拉列表中选择Nodes,在第二个下拉列表中选择Attache在第栏中选择Lines,al1,在第四栏中选择FromFull,单击“OK”按钮关闭该对Surf/Contact|SurftoSurf命令，出现MeshFreeSurfaces对话框，在T在在第三栏中选择FromFull,单击“OK”按钮，出现Select入栏中输入7,单击“OK”按钮关闭该菜单。在EntityComponentismadeof下拉选框中选择Lines,单击“OK”按钮关闭该下拉选框中选择3CONTACT172,在[MAT]Materialnumber下拉选框中选择1,单击话框，在第一个下拉列表中选择Nodes,在第二个下拉列表中选择Attachedto,在第栏中选择Lines,all,在第四栏中选择FromFull,单击“OK”按钮关闭该对Surf/Contact|Surfto(1)选择MainMenu|Solution|AnalysisType|N现SoultionControls对话框，单击其上的“Basic”按钮，参照图4.4对其进行223EtmentNaatLosd.whereN=FNumberofsubstepsBasie|Transient|(3)选择UtilityMenu|Select|Entities命令，出现Selec框，在第一个下拉列表框中选择Lines, 中北大学2012届毕业设计说明书入栏中输入2,单击“OK”按钮关闭该菜单。(4)选择Utility框，在第一个下拉列表中选择Nodes,在第二个下拉列表中选择Attachedto,在第栏中选择Lines,all,在第四栏中选择FromFull,单击“OK”按钮关闭该对话Displacement|OnNodes命令，出现ApplyU,ROTonN菜单，单击“pickAll”按钮，出现ApplyU,ROTonNodes对话框，在表框中选择UX,在VALUEDisplacementvalue输入中输入0,单击“OK”按钮关(6)选择UtilityMenu|Select|Entities命令，出现Selec在在第三栏中选择FromFull,单击“OK”按钮，出现Select入栏中输入7,9,单击“OK”按钮关闭该菜单。(7)选择UtilityMenu|Select|Entities命令，出现SelectEntities对话框，在第一个下拉列表中选择Nodes,在第二个下拉列表中选择Attachedto,在Displacement|OnNodes命令，出现ApplyU,ROTonN菜单，单击“pickAll”按钮，出现ApplyU,ROTonNodes对话框，在表框中选择UY,在VALUEDisplacementvalue输入中输入0,单击“OK”按钮关(9)选择UtilityMenu|Select|Entit框，在第一个下拉列表框中选择Lines,在第二个下拉列表框中选择ByNum/Pick,在在第三栏中选择FromFull,单击“OK”按钮，出现Select入栏中输入6,单击“OK”按钮关闭该菜单。(10)选择UtilityMe 第29页共46页Menu|Solution|DefineLoads|Apply|StructuallDisplacement|OnNodes命令，出现ApplyU,ROTonN菜单，单击“pickAll”NODALSOLUTIONEQ\*jc3\*hps16\o\al(\s\up5(.),5)EQ\*jc3\*hps16\o\al(\s\up5(169),73)EQ\*jc3\*hps16\o\al(\s\up5(E),E)EQ\*jc3\*hps16\o\al(\s\up5(0),0)EQ\*jc3\*hps16\o\al(\s\up5(4),4)图4.5径向位移等值线图应力场等值线图，如图4.6所示。.152E+09第31页共46页图4.6径向应力等值线图EQ\*jc3\*hps16\o\al(\s\up6(DHX=),SNN)图4.7轴向应力等值线图第32页共46页图4.8切向应力等值线图ByNodes,出现ByNotes对话框，选择靠近身管上面的一条路径，定义为a,然后关闭该对话框。第33页共46页图4.9等效应力等值线图出现MapResultsItemsontopath对话框，选择stress中的X-DirectionSX单击“OK”按钮关闭该对话框。单击OK按钮关闭该对话框。图形显示经过处理可得到如图4.10。出现MapResultsItemsonto击“OK”按钮关闭该对话框。Item|OnGraph,出现Plotofpathitemsongraph对话框，选择其中的SY,单击OK按钮关闭该对话框。图形显示经过处理可得到如图4.11。第34页共46页图4.10径向应力随壁厚变化图图4.11轴向应力随壁厚分布图(14)选择mainMenu|Gene第35页共46页图4.12切向应力随壁厚分布图出现MapResultsItemsontopEPPLX,单击apply按钮，选择Strain-Plastic中(16)选择mainMenu|Gene图4.13残余塑性应变随壁厚分布图第36页共46页过盈量δ为1.8mm时各个方向残余应力沿壁厚分布情况，如图4.14所示。图4.14残余应力随壁厚分布情况通过对比机械自紧厚壁圆筒的残余应力数值模拟的结果和液压自紧厚壁圆筒表面为自由表面。随着径向坐标的增大径向残余应力的第37页共46页过盈量δ=1.8mm时，各个方向塑性应变沿壁厚分布情况如图4.15所示。图4.15壁厚比为2.1时的塑性应变分布变几乎为零，在弹塑性交界面上，3个方向的塑性应变都变为零。交界处即为塑性图4.15中为壁厚比为2.1时的塑性应变分布图。图4.16为壁厚比为小于2.1时塑性应变分布图，通过两图的比较，可以看出，当壁厚比为2.1时，塑性半径为87.859mm,当壁厚比小于2.1时，塑性半径为86.428mm,我们可以得出：自紧身第38页共46页(4)12种不同过盈量的塑性应变分布通过12种不同过盈量的机械自紧数值模拟，得到图4.17所示的分布图。通过对ANSYS数据的提取，可以得到不同的过盈量所对应的塑性半径的值，把这些数据导入表格中，可以得到如图4.18所示的过盈量-塑性半径分布图，从图中可以看出，塑性半径随着过盈量的增大而增大。当过盈量到达一定的值时，身管达第39页共46页图4.18塑性半径随过盈量的变化图4.19,4.20,4.