碳纤维复合材料迫击炮身管结构设计与缠绕工艺研究

膛炮 身管 。英 国某 型 超轻 榴 弹炮 复合 身 管 ，以 高模 量碳 纤维 作 为纵 向层 ，以 中模 量碳 纤 维作 为 环 向层 ， 采用 高拉 张力 工艺 ，将碳 纤 维束 缠绕 在 钢制 内衬 上 ， 获得 了强 度 和刚度 可 同时 比拟原 身 管 的轻 质复 合 身 管 。榴弹 炮 总重从 ４．０８ ｔ降 至 ２．２７ ｔ，减 重 达 ４０％。 国内对 于 复 合 材 料 身 管 也 开 展 了诸 多 探 索 性 的 研 究 ．徐光 磊等 对 含 内衬 纤 维 缠 绕 筒 进 行 了强 度 分 析 及 水压 实 验 ，研 究 了 其 横 向抗 冲 击 性 能 ¨】 ， ］，徐 亚 栋 等分 析 了纤维 增强 复合 材料 身管 的 阻尼特 性 ＿１ 。
摘 要 ：纤 维 增 强 复 合 材 料 具 有 比 刚度 高 、比 强 度 大的 轻 量 化 优 势 ，以及 可设 计 性 强 、耐 腐 蚀 性 优 、抗 疲 劳性 好 等 显 著 特 点 ， 可作 为 武 器 装 备 轻 量 化 设 计 的 绝 佳 选 材 。在 对 迫 击 炮 身 管进 行 受 力 分 析 的 基 础 上 ，提 出 了采 用 金 属 内衬 外 加 碳 纤 维 复 合 材 料 增强层的迫击炮复合 身管双层 结构，介绍 了用于迫击炮复合 身管加 工的缠绕设备和缠绕工 艺，基于实验结果 ，综合分析 了碳 纤 维材料 的选择 、铺层 顺序 、纤 维缠绕 张力等工艺对迫击炮复合身管承压性 能的影 响．可为火炮复合材料 身管以及复合材 料承载 圆 筒 的 结 构 设 计 与 加 工 提 供 参 考 。
本 文着 眼未 来 高 机 动 作 战 对 武 器 装 备 的 需 求 ， 将碳 纤 维增 强复 合材 料用 于迫 击炮 身 管 的轻 量化 改 进 ，开展 了复合身 管 的结构 设计 与成 型 工 艺研 究 ，在 获 得较 高强 度 和刚度 的同时 ，可大 大减 轻 身管 重 量 ， 为提高 装备 机 动性 和跨 区作 战性 能 提 供 技 术 支 撑 ， 也 为先 进 复合 材 料在 陆军 装 备 中 的应 用 奠 定 基 础 。 本文 的研究 成果 也 可为 其他 复合 材料 承 载 圆筒 的 结 构设计 和 工艺 提供 参考 。
关键 词 ：碳 纤维复合材料 ；复合 身管；结构设计 ；缠绕 工艺 中 图 分 类 号 ：ＴＢ３３２ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００３—０９９９（２０１８）０５Байду номын сангаас００６４—０５
１ 引 言 现代 战争 具有 的 突发性 、速决 性 和多 维性 特 点 ，
使 得武 器 装备 的灵 活 机 动 、快 速 部署 能力 成 为抢 占 先 机 ．赢得 胜 利 的 关 键 条件 １］。迫 击炮 作 为 一种 支 援 和伴 随步兵 作 战 的有 效压 制 武 器 ，在 现 代 战争 中 仍 具有 不 可替代 的地位 。而我军 现役 迫击 炮 的 身管 绝大部 分 仍 采 用 炮 钢 材 料 ，战斗 全 重 较 大 ，携 行 不 便 ，身管 作为 迫击 炮 的重要 组成 部分 ，其 重量 约 占总 重 的一半 ，亟 需进 行轻 量化 改造 。
碳纤 维复合材料迫 击炮身管结构设计与缠绕工 艺研 究
２０１８年 ５月
碳 纤 维 复 合 材 料 迫 击 炮 身 管 结 构 设 计 与 缠 绕 工 艺 研 究
熊 超 ，李 博 ，殷 军辉 ，邓辉咏
（陆 军 工 程 大学 石家 庄 校 区火 炮 工 程 系 ，石 家 庄 ０５０００３）
近年 来 ．随着 材料 科技 的飞速发 展 ，以碳 纤 维 增 强复 合材 料 为代 表 的轻量 化材 料不 断引 起人 们 的关 注 。相 比传统 金 属 和 合 金材 料 ，纤 维增 强 复 合 材 料 不但 具备 高 比模 量 、高 比强 度 的轻量 化优 势 ，而 且 拥 有 可设 计 性强 、耐腐 蚀 性 优 、抗 疲 劳性 好 等 特 点 ，通 过改 变纤 维 角度 和铺 层参 数就 可满 足不 同的结 构设 计 和力 学性 能 要求 。从 而 可 大 大 降 低设 计 难 度 Ｅ２－５］。 尤其 是 碳纤 维 、玻 璃 纤 维增 强 高 分 子 聚 合 物 基 复 合 材料 早 己被 广泛 应 用 于航 空 航 天 、船 舶 汽 车 等 领 域 中的各 种承 力结 构 中 ，比如 ，波 音 ７８７“梦幻 ”飞机 上 先进复合 材料 的用 量达 到机体 重量 的 ５０％，空客 Ａ３５０飞 机则将 复 合 材 料 的用 量 提 高 到 了 ５２％【６－８］。 对 于纤 维增 强 复合 材 料 在 装 备 领 域 的应 用 ，国外 已 在 这方 面开 展 了大量 的探 索 ｜９ ，例 如 ，美 国 贝 尼特 实验 室对碳纤 维复合材 料身管 技术 进行 了深入 探 索 ， 相 继开 发 了 １０５ ｍｌｎ加农 炮 身 管 和 １２０ ｍｍ 坦 克 滑
２ 迫击炮身管受力特性分析
在进 行受 力分 析 时 ，通 常 可把 身 管看 成 由许 多 段理想 的厚壁 圆筒 组 成 ，并 假设 材 料 均 质且 各 向 同 性 ．圆筒承 受 的压力 垂直 作用 于筒 壁 表 面且 均 布 ，圆 筒受 力变 形后 仍 保 持 其 形 状 ，任 一 横 截 面 变形 后 仍 为平 面 ，且 压 力是静 载 荷 ，圆筒各 质点 均 处 于静 力 平 衡状 态 。如 图 １所 示 ，沿身 管轴 向取 微 段 ，设其 内径
收稿 日期 ：２０１７．１１—２４ 基 金 项 目：军 内科 研 重 点 项 目 （ＺＳ２０１５０７０１３２Ａ１２００２） 作 者简 介 ：熊 超 （１９７８－），男 ，博 士 ，副 教 授 ，主 要 从 事 基 于 复 合 材 料 的 装 备 轻 量 化 技 术 方 面 的 研 究 ，ｘｃｈａｏ＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ。