포사격시 포신 내부온도 및 압력 변화에 의한 포신 변형 수치해석 Numerical analysis of deformation and stresses in barrel by the changes of temperature and pressure occured throuth firing원문보기
포의 사격은 뇌관의 격발, 추진제의 연소, 약실내의 압력증가, 탄의 이동, 탄의 이탈 등의 과정으로 이루어진다. 이러한 과정을 통해 포신 내에는 온도와 압력의 급격한 변화가 발생하고 온도와 압력의 변화에 의해 발생된 응력과 변형은 포의 성능 및 수명저하의 중요한 원인이 된다. 본 논문에서는 수치해석을 통해 포사격 시에 발생하는 온도 및 압력의 변화 그리고 포신하중에 의해 발생하는 포신의 응력과 변형에 대한 연구를 수행하였다.수치해석을 위해 적용할 ...
포의 사격은 뇌관의 격발, 추진제의 연소, 약실내의 압력증가, 탄의 이동, 탄의 이탈 등의 과정으로 이루어진다. 이러한 과정을 통해 포신 내에는 온도와 압력의 급격한 변화가 발생하고 온도와 압력의 변화에 의해 발생된 응력과 변형은 포의 성능 및 수명저하의 중요한 원인이 된다. 본 논문에서는 수치해석을 통해 포사격 시에 발생하는 온도 및 압력의 변화 그리고 포신하중에 의해 발생하는 포신의 응력과 변형에 대한 연구를 수행하였다.수치해석을 위해 적용할 경계조건을 결정하기 위해 포신 내에 응력과 변형 발생에 영향을 미치는 원인인 사격 후 포신내부의 온도분포, 사격 간 발생하는 추진가스의 압력 분포에 대한 데이터를 Le Duc과 Sopok의 실험식으로 부터 획득하였다.수치해석 결과의 정확성에 대한 신뢰를 확인하기 위해 Timosenko의 이론해의 결과와 비교하는 Validation을 실시하였다. Validation 결과 최대 오차율 4.8%이내의 결과를 확인할 수 있었으며 이를 통해 수치해석결과의 신뢰성을 확인하였다.신뢰성을 확인한 프로그램을 이용하여 15 5mm포신을 대상으로 하여 각 Case별 응력과 변형발생에 대한 해석을 하였다. Case 1은 포신의 하중만을 적용하여 발생하는 응력과 변형에 대한 해석으로써 최대 발생응력 0.197 MPa, 최대 최소 발생응력차 251 Pa이라는 결과를 얻었으며 변형은 거의 발생하지 않았다. 이를 통해 포신의 하중이 미치는 영향이 매우 낮음을 확인하였다.사격 시 발생하는 압력과 온도의 영향을 적용하여 해석하기에 앞서 사격으로 형성된 포신내벽의 온도분포에 의한 열전도 해석을 실시하였고 최대 해석시간인 15초 동안 사격으로 인해 포신내벽의 온도가 포신 외벽까지 전달되지 않는 결과를 통해 포신외부의 대류 영향이 매우 작을 것이라 가정하였다.전도 해석결과 얻어진 포신내부의 온도구배와 압력분포를 적용한 해석인 Case2는 사격횟수에 따라 Case2-A(1회사격), Case2-B(2회사격), Case2-C(3회사격)로 구분하였고 해석한 결과 최대 응력이 각각 1.52×108 Pa, 9.87×108 Pa, 1.67×109 Pa, 최대 변형은 포신입구의 고정단 에서 0.58 m, 0.85 m, 0.97 m 떨어진 지점에서 각각 1.24 mm, 2.44 mm, 3.04 mm 라는 결과를 얻었다. 변형량의 경우 Case2-A에 비해 Case2-B는 49.2 %, Case2-C는 245.2 %의 변형발생 증가를 보여주는 것으로 사격으로 인해 형성된 고온이 연속사격으로 인해 유지되어 변형 발생의 급격한 증가를 일으킴을 알 수 있다. 또한 Case2-C의 경우 발생한 응력은 항복응력인 1.03 GPa를 초과하였기 때문에 Case2-C에서 최대 응력이 발생된 지점에서 영구변형이 이루어 졌고 이로 인해 포신의 수명 저하가 발생할 수 있다.응력과 변형 발생의 원인이 되는 하중, 온도, 압력이 미치는 각각의 영향을 판단하기 위해 Case2-A의 경우와 하중, 온도, 압력을 각각 따로 적용하여 해석한 결과를 비교하였으며 그 결과 하중만을 적용하였을 경우 1.56×10-2 mm, 압력을 적용한 경우는 1.54×10-2 mm, 온도만을 적용한 경우는 1.22 mm Case2-A의 경우는 1.24 mm의 최대 변형 발생결과를 얻었으며 이를 통해 변형과 응력의 발생에 온도가 압력과 하중에 비해 매우 큰 영향을 미침을 알 수 있다.
포의 사격은 뇌관의 격발, 추진제의 연소, 약실내의 압력증가, 탄의 이동, 탄의 이탈 등의 과정으로 이루어진다. 이러한 과정을 통해 포신 내에는 온도와 압력의 급격한 변화가 발생하고 온도와 압력의 변화에 의해 발생된 응력과 변형은 포의 성능 및 수명저하의 중요한 원인이 된다. 본 논문에서는 수치해석을 통해 포사격 시에 발생하는 온도 및 압력의 변화 그리고 포신하중에 의해 발생하는 포신의 응력과 변형에 대한 연구를 수행하였다.수치해석을 위해 적용할 경계조건을 결정하기 위해 포신 내에 응력과 변형 발생에 영향을 미치는 원인인 사격 후 포신내부의 온도분포, 사격 간 발생하는 추진가스의 압력 분포에 대한 데이터를 Le Duc과 Sopok의 실험식으로 부터 획득하였다.수치해석 결과의 정확성에 대한 신뢰를 확인하기 위해 Timosenko의 이론해의 결과와 비교하는 Validation을 실시하였다. Validation 결과 최대 오차율 4.8%이내의 결과를 확인할 수 있었으며 이를 통해 수치해석결과의 신뢰성을 확인하였다.신뢰성을 확인한 프로그램을 이용하여 15 5mm포신을 대상으로 하여 각 Case별 응력과 변형발생에 대한 해석을 하였다. Case 1은 포신의 하중만을 적용하여 발생하는 응력과 변형에 대한 해석으로써 최대 발생응력 0.197 MPa, 최대 최소 발생응력차 251 Pa이라는 결과를 얻었으며 변형은 거의 발생하지 않았다. 이를 통해 포신의 하중이 미치는 영향이 매우 낮음을 확인하였다.사격 시 발생하는 압력과 온도의 영향을 적용하여 해석하기에 앞서 사격으로 형성된 포신내벽의 온도분포에 의한 열전도 해석을 실시하였고 최대 해석시간인 15초 동안 사격으로 인해 포신내벽의 온도가 포신 외벽까지 전달되지 않는 결과를 통해 포신외부의 대류 영향이 매우 작을 것이라 가정하였다.전도 해석결과 얻어진 포신내부의 온도구배와 압력분포를 적용한 해석인 Case2는 사격횟수에 따라 Case2-A(1회사격), Case2-B(2회사격), Case2-C(3회사격)로 구분하였고 해석한 결과 최대 응력이 각각 1.52×108 Pa, 9.87×108 Pa, 1.67×109 Pa, 최대 변형은 포신입구의 고정단 에서 0.58 m, 0.85 m, 0.97 m 떨어진 지점에서 각각 1.24 mm, 2.44 mm, 3.04 mm 라는 결과를 얻었다. 변형량의 경우 Case2-A에 비해 Case2-B는 49.2 %, Case2-C는 245.2 %의 변형발생 증가를 보여주는 것으로 사격으로 인해 형성된 고온이 연속사격으로 인해 유지되어 변형 발생의 급격한 증가를 일으킴을 알 수 있다. 또한 Case2-C의 경우 발생한 응력은 항복응력인 1.03 GPa를 초과하였기 때문에 Case2-C에서 최대 응력이 발생된 지점에서 영구변형이 이루어 졌고 이로 인해 포신의 수명 저하가 발생할 수 있다.응력과 변형 발생의 원인이 되는 하중, 온도, 압력이 미치는 각각의 영향을 판단하기 위해 Case2-A의 경우와 하중, 온도, 압력을 각각 따로 적용하여 해석한 결과를 비교하였으며 그 결과 하중만을 적용하였을 경우 1.56×10-2 mm, 압력을 적용한 경우는 1.54×10-2 mm, 온도만을 적용한 경우는 1.22 mm Case2-A의 경우는 1.24 mm의 최대 변형 발생결과를 얻었으며 이를 통해 변형과 응력의 발생에 온도가 압력과 하중에 비해 매우 큰 영향을 미침을 알 수 있다.
The procedure of firing is composed of percussion of fuse, combustion of gun powder, increase of the pressure in barrel, movement of bullet and exit of bullet from barrel. Through these procedures, the rapid changes of temperature and pressure occur inside the barrel and stresses and deformation res...
The procedure of firing is composed of percussion of fuse, combustion of gun powder, increase of the pressure in barrel, movement of bullet and exit of bullet from barrel. Through these procedures, the rapid changes of temperature and pressure occur inside the barrel and stresses and deformation resulted from these rapid change are the main reasons that reduce the capacity of barrel and life-cycle. This study is the computational analysis of the stresses and deformations of barrel due to the weight of barrel and changes of temperature and pressure in barrel during firing.For the analysis, Le duc''s and Sopok''s experimental correlation are used as the boundary condition of computational calculation. Then, the calculation is validated within 4.8% maximum error through comparison with Timosenko''s analytical solution.Case 1 that considers only the weight of barrel shows the maximum stress of 0.197 MPa with the difference of 251 Pa between maximum and minimum stress and little deformation occurs. Therefore the weight has little effect on barrel deformation.Case 2 considers effect of temperature distribution from the heat conduction calculation and according to pressure distribution. Case2 is subdivided into Case2-A(1st fire), Case2-B(2nd fire) and Case2-C(3rd fire). The maximum stresse for each case is 1.52×108 Pa, 9.87×108 Pa and 1.67×109 Pa respectively and maximum deformation is 1.24 mm, 2.44 mm and 3.04 mm, respectively at 0.58 m, 0.85 m and 0.97 m from the barrel inlet. Results show that the deformations increase by 49.2 % in Case 2-B and by 245.2 % in Case 2-C compared to that of Case 2-A. This indicates that the deformation increases rapidly in the Case2-B and Case2-C due to sustaining high temperature caused by fires. As the stress occurring in Case 2-C exceeds the yield stress of 1.03 GPa, the plastic deformation is expected to occur around the maximum stress position. This could surely cause cause the reduction of barrel''s life cycle.Result of Case 2-A is compared with cases which consider each effect of weight, temperature and pressure, separately. The deformation results for each case which solely considers weight, pressure, temperature are 1.56×10-2 mm, 1.54×10-2 mm, 1.22 mm respectively. Considering the deformation of 1.24 mm for Case2-A, this comparison shows that the temperature mainly causes deformations and stresses.
The procedure of firing is composed of percussion of fuse, combustion of gun powder, increase of the pressure in barrel, movement of bullet and exit of bullet from barrel. Through these procedures, the rapid changes of temperature and pressure occur inside the barrel and stresses and deformation resulted from these rapid change are the main reasons that reduce the capacity of barrel and life-cycle. This study is the computational analysis of the stresses and deformations of barrel due to the weight of barrel and changes of temperature and pressure in barrel during firing.For the analysis, Le duc''s and Sopok''s experimental correlation are used as the boundary condition of computational calculation. Then, the calculation is validated within 4.8% maximum error through comparison with Timosenko''s analytical solution.Case 1 that considers only the weight of barrel shows the maximum stress of 0.197 MPa with the difference of 251 Pa between maximum and minimum stress and little deformation occurs. Therefore the weight has little effect on barrel deformation.Case 2 considers effect of temperature distribution from the heat conduction calculation and according to pressure distribution. Case2 is subdivided into Case2-A(1st fire), Case2-B(2nd fire) and Case2-C(3rd fire). The maximum stresse for each case is 1.52×108 Pa, 9.87×108 Pa and 1.67×109 Pa respectively and maximum deformation is 1.24 mm, 2.44 mm and 3.04 mm, respectively at 0.58 m, 0.85 m and 0.97 m from the barrel inlet. Results show that the deformations increase by 49.2 % in Case 2-B and by 245.2 % in Case 2-C compared to that of Case 2-A. This indicates that the deformation increases rapidly in the Case2-B and Case2-C due to sustaining high temperature caused by fires. As the stress occurring in Case 2-C exceeds the yield stress of 1.03 GPa, the plastic deformation is expected to occur around the maximum stress position. This could surely cause cause the reduction of barrel''s life cycle.Result of Case 2-A is compared with cases which consider each effect of weight, temperature and pressure, separately. The deformation results for each case which solely considers weight, pressure, temperature are 1.56×10-2 mm, 1.54×10-2 mm, 1.22 mm respectively. Considering the deformation of 1.24 mm for Case2-A, this comparison shows that the temperature mainly causes deformations and stresses.
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