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现代战争对武器系统射击精度、射击速度等性能要求越来高,因此常常需要采用高能火药或高装填密度来满足这些作战要求。然而,当火药能量和装填密度提高时,膛内火药燃气速度、温度以及弹丸运动速度也将随之提高,并且内弹道作用时间也将越来越短。在这样的高能、强瞬态内弹道载荷作用下,身管内壁将受到更加严峻的机械磨损等破坏,从而严重影响身管使用寿命。研究强瞬态发射载荷作用下的身管传热现象是提高身管寿命、研究身管烧蚀的关键问题之一。本文以大口径火炮身管为研究对象,考虑在发射过程中强瞬态、高能量载荷作用下,身管内非傅立叶传热现象、广义热接触以及含裂纹、含镀层身管传热等关键问题,为身管设计提供理论指导。主要工作如下:
(1)基于广义时间积分算法(GSSSS-i时间积分算法),提出了关于多物理场耦合的时间一致性计算方法。结合有限差分法,分析膛内内弹道过程中多系统耦合以及内弹道与身管的热耦合等问题的时间一致性。通过分析,只有采用耦合系统时间一致性计算才能够确保膛内所有物理场数值计算结果得到正确的二阶时间收敛精度。为内弹道载荷作用下的身管传热等问题的研究提供了基础。关于耦合系统时间一致性计算方法以及GSSSS时间积分算法在内弹道数值模拟中的应用在论文的第二、四章详细给出。
(2)在身管传热现象研究中,由于身管在工作时所受的发射载荷为强瞬态内弹道热载荷,时间尺度为毫秒(ms)级,因此考虑身管内非傅立叶效应更加贴近实际传热过程;身管内壁由于非傅立叶效应产生的“瞬态薄层”在空间上的尺度为≤μm,因此需要对身管内的传热过程进行非局部、非傅立叶建模。本文首先基于传统的移动颗粒法(MPS),提出改进移动颗粒法(CMPS)其次采用广义传热本构关系(广义C-F传热模型),构造拉格朗日能量,基于耗散系统的欧拉.拉格朗日方程,推导得到固体广义局部和非局部传热模型。将该模型应用到身管非傅立叶“瞬态薄层”效应、含裂纹身管热响应、含镀层身管热响应等复杂传热问题的研究。研究表明,当身管在强瞬态内弹道热载荷作用下,身管内壁附近非傅立叶效应较为明显,而其它区域则表现出傅立叶传热现象。另外,本文提出的固体广义非局部传热理论能够有效地模拟含裂纹系统中的温度分布,研究发现,在裂纹尖端出现热量聚集点。关于固体广义非局部理论和身管内非傅立叶现象的研究在论文的第三、五章详细给出。
(3)在身管广义热接触理论研究中,以含镀层身管为研究对象,由于镀层尺度与非傅立叶“瞬态薄层”尺度接近,采用非傅立叶传热本构关系描述镀层更贴近实际,然而炮钢部分则考虑傅立叶传热更加合理。因此,含镀层身管传热的本质为非傅立叶传热与傅立叶传热之间的热接触问题,即广义热接触问题。本文基于微分.代数方程组(DAEs),建立广义热接触模型,并通过GSSSS-i时间积分算法,推导出用于求解微分.代数方程的GSSSS-i DAE Index3时间积分算法。上述算法有效地实现了镀层身管广义热接触问题的数值模拟计算,并且详细分析了含裂纹镀层身管内的热接触问题。研究表明,裂纹和含热阻接触面对热量有阻隔的作用,并导致热量聚集在镀层内,使得镀层内温度急剧升高。关于GSSSS-i DAEIndex时间积分算法和身管广义热接触问题研究分别在论文的第二、六章详细给出。
(1)基于广义时间积分算法(GSSSS-i时间积分算法),提出了关于多物理场耦合的时间一致性计算方法。结合有限差分法,分析膛内内弹道过程中多系统耦合以及内弹道与身管的热耦合等问题的时间一致性。通过分析,只有采用耦合系统时间一致性计算才能够确保膛内所有物理场数值计算结果得到正确的二阶时间收敛精度。为内弹道载荷作用下的身管传热等问题的研究提供了基础。关于耦合系统时间一致性计算方法以及GSSSS时间积分算法在内弹道数值模拟中的应用在论文的第二、四章详细给出。
(2)在身管传热现象研究中,由于身管在工作时所受的发射载荷为强瞬态内弹道热载荷,时间尺度为毫秒(ms)级,因此考虑身管内非傅立叶效应更加贴近实际传热过程;身管内壁由于非傅立叶效应产生的“瞬态薄层”在空间上的尺度为≤μm,因此需要对身管内的传热过程进行非局部、非傅立叶建模。本文首先基于传统的移动颗粒法(MPS),提出改进移动颗粒法(CMPS)其次采用广义传热本构关系(广义C-F传热模型),构造拉格朗日能量,基于耗散系统的欧拉.拉格朗日方程,推导得到固体广义局部和非局部传热模型。将该模型应用到身管非傅立叶“瞬态薄层”效应、含裂纹身管热响应、含镀层身管热响应等复杂传热问题的研究。研究表明,当身管在强瞬态内弹道热载荷作用下,身管内壁附近非傅立叶效应较为明显,而其它区域则表现出傅立叶传热现象。另外,本文提出的固体广义非局部传热理论能够有效地模拟含裂纹系统中的温度分布,研究发现,在裂纹尖端出现热量聚集点。关于固体广义非局部理论和身管内非傅立叶现象的研究在论文的第三、五章详细给出。
(3)在身管广义热接触理论研究中,以含镀层身管为研究对象,由于镀层尺度与非傅立叶“瞬态薄层”尺度接近,采用非傅立叶传热本构关系描述镀层更贴近实际,然而炮钢部分则考虑傅立叶传热更加合理。因此,含镀层身管传热的本质为非傅立叶传热与傅立叶传热之间的热接触问题,即广义热接触问题。本文基于微分.代数方程组(DAEs),建立广义热接触模型,并通过GSSSS-i时间积分算法,推导出用于求解微分.代数方程的GSSSS-i DAE Index3时间积分算法。上述算法有效地实现了镀层身管广义热接触问题的数值模拟计算,并且详细分析了含裂纹镀层身管内的热接触问题。研究表明,裂纹和含热阻接触面对热量有阻隔的作用,并导致热量聚集在镀层内,使得镀层内温度急剧升高。关于GSSSS-i DAEIndex时间积分算法和身管广义热接触问题研究分别在论文的第二、六章详细给出。