薛汝東 徐勝軻 梅景放

（南京模擬技術(shù)研究所，南京 210016）

1 引 言

結(jié)合槍支彈藥安全管理的實際需求，傳統(tǒng)的方式是射擊訓(xùn)練完成后，通過收集彈殼的方式實現(xiàn)彈藥消耗的統(tǒng)計。該方法操作不便且數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，為解決這一問題，需要設(shè)計一款能夠準(zhǔn)確自動計數(shù)的裝置，自動統(tǒng)計射擊情況。當(dāng)前，通常采用在槍管上安裝計數(shù)器的方式對射擊情況進行自動記錄，以此快速準(zhǔn)確地獲取實際彈藥消耗情況。為確保計數(shù)器安裝的穩(wěn)定性及牢固性，計數(shù)器多采用金屬夾具與槍管之間實現(xiàn)接觸式固定，而步槍在連續(xù)射擊過程中會產(chǎn)生較大的熱量，并通過夾具傳導(dǎo)至計數(shù)器腔體內(nèi)部，導(dǎo)致計數(shù)器腔體內(nèi)部溫度過高，超出電器元件的溫度使用范圍，從而影響計數(shù)器電器元件的正常工作，故熱設(shè)計成為射擊計數(shù)器連續(xù)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。

2 熱傳導(dǎo)原理分析

為保證計數(shù)器穩(wěn)定可靠工作，且夾具能夠可靠穩(wěn)定地固定于槍管上，多采用接觸式固定方式；既要確保夾具的結(jié)構(gòu)強度同時又要兼顧計數(shù)器的重量要求，以盡可能減少對射擊效果的影響。為此，計數(shù)器腔體采用非金屬材料，夾具采用蜂窩式結(jié)構(gòu)式設(shè)計，以最大程度地減小整體重量，具體的安裝示意圖如圖1所示。經(jīng)實際測試，槍管在連續(xù)射擊過程中的溫度可達260℃，為確保計數(shù)器在260℃溫度及實彈射擊的沖擊下保持較好的強度及較小的形變，夾具采用金屬材料。

圖1 計數(shù)器安裝示意圖

溫度不同的同一物體的各部分之間，以及溫度不同的兩物體直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱能傳遞稱為熱傳導(dǎo)。傳熱是物體的固有本質(zhì)（只要存在溫差），其依靠微觀粒子的無規(guī)則熱運動，同時，物體各部分不發(fā)生宏觀的位移[1—4]。根據(jù)熱傳導(dǎo)定律（傅里葉定律），熱能量與材料的導(dǎo)熱系數(shù)、物體導(dǎo)熱面積等因素直接相關(guān)。材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大、導(dǎo)熱面積越大，物體的導(dǎo)熱性能越好。實際使用過程中，槍管的溫度通過接觸式夾具以熱傳導(dǎo)方式傳遞給計數(shù)器腔體，當(dāng)計數(shù)器夾具的樣式確定后，夾具材料導(dǎo)熱系數(shù)的選定直接決定了夾具的導(dǎo)熱性能。

不同金屬及合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)差距較大，約為10~500W/(m·℃)，其基本呈截斷正態(tài)分布狀態(tài)，其概率密度函數(shù)為：

式中，Φ（·）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累積分布函數(shù)。

φ（·）是均值為0，方差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布：

本文對常用金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)概率分布進行仿真分析，取a=10，b=500，u=200，σ=100，共生成 200 個樣本，該200個樣本的導(dǎo)熱系數(shù)概率分布如圖2所示。

圖2 常用金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)分布

3 計數(shù)器熱仿真優(yōu)化分析

槍管溫度經(jīng)過計數(shù)器夾具傳遞至計數(shù)器腔體內(nèi)部，經(jīng)過一段時間熱傳導(dǎo)后，計數(shù)器形成熱穩(wěn)態(tài)，熱穩(wěn)態(tài)時的溫度分布直接影響計數(shù)器電器元件的正常工作。計數(shù)器夾具采用不同的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)不同，對應(yīng)的計數(shù)器內(nèi)部熱穩(wěn)態(tài)的溫度也不相同[5—7]，為此，本文對計數(shù)器夾具熱穩(wěn)態(tài)時的溫度分布情況進行了仿真分析。

通過三維設(shè)計軟件對計數(shù)器進行三維建模，并將計數(shù)器的基本模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進行仿真分析，其中，設(shè)定槍管溫度恒定為260℃，夾具外表面空氣對流系數(shù)取10W/(m2·℃)，夾具內(nèi)部的空氣對流系數(shù)取2W/(m2·℃)，計數(shù)器電器元件功率為0.225W，取不同的導(dǎo)熱系數(shù)對計數(shù)器進行穩(wěn)態(tài)熱分析。圖3是一種典型的金屬材料鋁（牌號6061）作為夾具材料時計數(shù)器穩(wěn)態(tài)溫度分布情況。

圖3 夾具為鋁（牌號6061）時的溫度分布

從圖3中可以看出，計數(shù)器穩(wěn)態(tài)熱分布的基本情況，槍管處溫度最高，其次是夾具與槍管夾持處溫度較高，隨著距離槍管的距離增加，溫度逐漸降低，整個計數(shù)器形成熱穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時計數(shù)器腔體內(nèi)部溫度最低為135.7℃。進一步根據(jù)圖2中分析得到的200個金屬材料樣本點，取不同的導(dǎo)熱系數(shù)分別進行穩(wěn)態(tài)熱分析，并分別記錄穩(wěn)態(tài)時的計數(shù)器腔體內(nèi)部溫度，將分析得到的結(jié)果進行統(tǒng)計，可得到計數(shù)器腔體內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度隨夾具導(dǎo)熱系數(shù)的變化分布圖，如圖4所示。

圖4 計數(shù)器腔體溫度隨導(dǎo)熱系數(shù)變化分布圖

由圖4可以看出，隨著夾具材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加，其計數(shù)器內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度也逐漸升高，且升高速度隨導(dǎo)熱系數(shù)的增加逐漸減緩。本文設(shè)計的計數(shù)器所選取的電子元器件的最大耐熱溫度為80℃，由圖4可以得出：為確保計數(shù)器正常工作，其夾具材料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)滿足λ≤36W/(m·℃)。

2種常用金屬材料（牌號0Cr18Ni9的不銹鋼和牌號6061的鋁）的導(dǎo)熱系數(shù)分別為15.1W/(m·℃)和167W/(m·℃)，分析結(jié)果顯示：這2種金屬材料對應(yīng)的計數(shù)器腔體內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度分別為48.5℃和135.7℃。結(jié)合上述仿真分析結(jié)果可以看出，選用牌號0Cr18Ni9的不銹鋼作為夾具材料時能夠保證計數(shù)器電器元件正常工作。

4 計數(shù)器熱傳遞試驗

為對上述分析結(jié)果進行進一步驗證，本文對計數(shù)器的熱特性進行了試驗研究。分別采用牌號0Cr18Ni9的不銹鋼和牌號6061的鋁材作為計數(shù)器夾具制作計數(shù)器測試樣品。將制作好的計數(shù)器測試樣品安裝固定在模擬槍管上。通過加熱裝置對模擬槍管進行持續(xù)加熱，同時采用數(shù)字溫度計實時記錄槍管的溫度變化情況，將模擬槍管溫度加熱至260℃，并維持此溫度；在計數(shù)器腔體內(nèi)部放置溫度傳感器，實時測量并記錄計數(shù)器腔體內(nèi)部的溫度變化情況。

圖5、圖6分別是采用0Cr18Ni9不銹鋼和6061的鋁材質(zhì)夾具時模擬槍管與計數(shù)器腔體內(nèi)部的溫度變化曲線。從圖5可以看出，采用不銹鋼材質(zhì)的夾具時，槍管從室溫16℃上升至260℃用時不到3min，此時計數(shù)器腔體內(nèi)部溫度為21.4℃；隨后，在槍管溫度持續(xù)穩(wěn)定在260℃左右的過程中，計數(shù)器腔體內(nèi)部溫度繼續(xù)呈上升趨勢，在經(jīng)過51min時達到極值50.8℃，之后一直穩(wěn)定在50.8℃，達到溫度平衡；在60min后停止加熱。從圖6可以看出，采用6061鋁材質(zhì)的夾具時，槍管溫度從室溫16℃上升至260℃用時不到3min，此時計數(shù)器腔體內(nèi)部溫度為29.5℃；在槍管溫度持續(xù)穩(wěn)定在260℃左右的過程中，計數(shù)器腔體內(nèi)部溫度同樣繼續(xù)呈上升趨勢，在經(jīng)過33min時達到極值127℃，之后一直穩(wěn)定在127℃，達到溫度平衡；在60min后停止加熱。

圖5 采用0Cr18Ni9不銹鋼夾具時的溫度變化曲線

圖6 采用6061鋁夾具時的溫度變化曲線

為更好地將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行分析對比，分別對采用0Cr18Ni9不銹鋼和6061的鋁材質(zhì)夾具的計數(shù)器穩(wěn)態(tài)熱仿真分析數(shù)據(jù)進行整理，將仿真過程中各時間點的溫度情況進行記錄并擬合，得到瞬態(tài)熱分析曲線，同時結(jié)合圖5、圖6中采用上述2種材料作為夾具時的實際溫度分布曲線進行擬合對比，其結(jié)果如圖7和圖8所示。可以看出,仿真分析結(jié)果與實際試驗結(jié)果得到的溫度變化趨勢基本相同。從仿真分析結(jié)果可知，采用不銹鋼夾具時計數(shù)器腔體內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度為48.5℃，而采用6061鋁夾具時計數(shù)器腔體內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度為135.7℃；而實際實驗得到的結(jié)果顯示，采用不銹鋼夾具時計數(shù)器腔體內(nèi)部溫度達到平衡時為50.8℃，而采用6061鋁夾具時計數(shù)器腔體內(nèi)部溫度平衡時溫度為127℃?？梢钥闯?，仿真分析和實際實驗得到的數(shù)據(jù)基本吻合，仿真分析結(jié)果的合理性及準(zhǔn)確性得到了較好的驗證。

圖7 采用0Cr18Ni9不銹鋼夾具時的瞬態(tài)熱分析曲線

圖8 采用6061鋁的夾具瞬態(tài)熱分析曲線

5 結(jié) 論

針對計數(shù)器夾具的熱特性，本文首先分析了夾具導(dǎo)熱系數(shù)對于計數(shù)器內(nèi)部的電器元件溫度影響較大，在夾具面積一定情況下，通過擬合一般材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)的分布情況，進行仿真優(yōu)化分析，得到滿足計數(shù)器內(nèi)部電器元件正常工作溫度條件下的夾具的熱傳導(dǎo)系數(shù)為λ≤36W/(m·℃)。同時，本文基于2種常用的金屬材料0Cr18Ni9不銹鋼及6061鋁材，對計數(shù)器夾具的穩(wěn)態(tài)熱特性進行了仿真分析，分析結(jié)果顯示：采用0Cr18Ni9不銹鋼材質(zhì)作為夾具時，計數(shù)器內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度能夠滿足電器元件溫度要求。此外，進一步分別使用0Cr18Ni9不銹鋼及6061鋁材制作了2種夾具，并對計數(shù)器的熱特性開展了實際試驗研究，試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本一致，仿真分析結(jié)果的合理性及準(zhǔn)確性得到了較好的驗證。