Namlu iç balistiği ve termo - mekanik analizi

Abstract

Namlu içindeki bir merminin hareketi sevk barutunun yanması ve ortaya çıkan yüksek basınç sonucunda elde edilen itme kuvvetiyle sağlanmaktadır. Basıncın büyüklüğü ile orantılı olarak merminin hızı ve namlu içinde oluşan sıcaklık da artmaktadır. Basınç ve sıcaklık değerleri namlu tasarımı için gerekli en önemli iki parametredir. Bu değerlerin ölçülmesi veya hesaplanması hem pahalı hem de oldukça zordur. Bu çalışmada ilgili parametrelerin namluya olan etkilerini incelemek için 7.62mm çapında 3 boyutlu bir namlu tasarlanmış ve ANSYS sonlu elemanlar programı kullanılarak merminin konumuna ve zamana bağlı olarak termo-mekanik analizler yapılmıştır.Birinci bölümde, 3 boyutlu kalın cidarlı bir boruda meydana gelen ısı transferi denklemleri ile mekanik ve termal gerilme denklemleri elde edilmiştir. Ayrıca sevk yakıtının yanmasıyla namlu içerisinde oluşan sıcaklık ve ısı taşınım katsayısı denklemleri teorik olarak hesaplanmıştır. İkinci bölümde, yapılan deneysel çalışmalar anlatılmıştır. Öncelikle atış esnasında namlu içinde oluşan maksimum basınç ve namlu ağzı hız değerleri ölçülmüştür. Daha sonra ise atış esnasında namlu dış sıcaklık değerlerini ölçmek için tek ve seri atışlar yapılmış ve termal kamera ile namlu dış yüzeyi sıcaklık değerleri ölçülmüştür.Üçüncü bölümde, teorik bölümde elde edilen denklemler kullanılarak namlu içerisindeki basınç, sıcaklık ve ısı taşınım katsayısı değerleri hesaplanmıştır. Hesaplanan değerler ANSYS programına veri olarak girilmiş ve namlu boyunca zamana bağlı sıcaklık ve gerilme analizleri yapılmıştır. Analiz sonuçlarından elde edilen sıcaklık değerleri termal kamera ile ölçülen değerler ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra namlu boyunca elde edilen sıcaklık verileri kullanılarak namluda seri 20 atış sonunda oluşan termo-mekanik gerilmeler ANSYS programı ile hesaplanmıştır. ANSYS'de elde edilen termo-mekanik gerilmeler analitik olarak doğrulanmıştır.Dördüncü bölümde ise elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş ve gelecek çalışmalarda neler yapılabileceği hakkında bilgi verilmiştir.

The movement of a projectile in a barrel is provided by the driving force obtained from the combustion of the propellant and the arising high pressure. The projectile velocity and the temperature occurring in the barrel also increases proportion ally with the magnitude of the pressure. Pressure and temperature values are the most important two parameters required for the barrel design. The measurement or calculation of these values are both expensive and extremely difficult. In this study, to examine the effects of the corresponding parameters on the barrel, a 3-dimensional barrel 7.62mm in diameter was designed and by using ANSYS finite element program, transient thermo-mechanical analyses depending on the position of the projectile were made.In the first section, mechanical and thermal stress equations and heat transfer equations were obtained for a 3-dimensional thick-walled tube. Besides, the equations for finding the convection coefficient and gas temperature inside the barrel were analyzed theoretically.In the second section, conducted experimental studies were described. Initially, maximum pressure and velocity values were measured in the barrel during shooting. Afterwards, single and series of shooting tests were conducted to measure the outer temperature distribution of the barrel during shooting test and temperature values were determined by thermal imager.In the third section, using the formulas obtained from the theoretical part, pressure, temperature and heat convection coefficient values were calculated. The calculated values were entered as input data into the ANSYS and time pependent temperature and stress analyses in the barrel were performed. Temperature values obtained from analysis results were compared with the values measured by the thermal imager.Afterwards, using the temperature data obtained through the barrel, thermo-mechanical stresses consisting in the barrel after 20 shots in series were calculated with ANSYS. The thermo-mechanical stresses obtained from ANSYS were verified analytically.In the fourth section, obtained results were evaluated and information was given about the future studies that can be done.