胡金鎖，周國印，王普凱，吳行，陳慶昌，褚慶國

（1.裝甲兵裝備技術(shù)研究所，北京100072；2.裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京100072）

基于集總參數(shù)法的坦克裝甲傳熱分析

胡金鎖1，周國印1，王普凱2，吳行1，陳慶昌1，褚慶國1

（1.裝甲兵裝備技術(shù)研究所，北京100072；2.裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京100072）

為研究坦克裝甲熱特征，基于集總參數(shù)法進行坦克裝甲單元劃分，建立了熱平衡方程，搭建了坦克裝甲熱網(wǎng)絡(luò)，確定了熱平衡計算求解方法。對某型坦克在設(shè)計工況下的裝甲溫度進行計算，得出了熱特征明顯的高溫區(qū)域，并分析了原因。對某型坦克裝甲溫度進行試驗測量，將測量值與計算值進行了對比，最大誤差為6.92%，驗證了該模型的合理性。

兵器科學(xué)與技術(shù)；集總參數(shù)法；坦克裝甲；熱網(wǎng)絡(luò)；模型；傳熱

0 引言

世紀(jì)之交的幾場高技術(shù)戰(zhàn)爭表明，紅外偵察設(shè)備與紅外精確制導(dǎo)武器使戰(zhàn)場環(huán)境突破了白天與黑夜的限制，全天候?qū)娛履繕?biāo)進行搜尋、識別、判斷，繼而實施攻擊；而作為“陸戰(zhàn)之王”的坦克，運行過程中在產(chǎn)熱、傳熱作用下，裝甲表面呈現(xiàn)獨特顯明的熱特征，生存能力受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)［1］。因此開展坦克裝甲溫度分布研究、摸清裝甲熱狀況，是有針對性地降低、改變其熱特征，提高坦克戰(zhàn)場生存能力的當(dāng)務(wù)之急。

本文在集總參數(shù)法的基礎(chǔ)上建立了坦克裝甲熱分析模型，對某型坦克在設(shè)計工況下的裝甲溫度進行了計算，并進行實車測試，將計算值與測量值進行了對比。

1 坦克裝甲熱分析模型的建立

1.1 坦克裝甲傳熱分析

坦克裝甲與內(nèi)部設(shè)備、人員、動力艙空氣、外界環(huán)境等進行著傳導(dǎo)、對流和輻射換熱，圖1是坦克裝甲傳熱分析示意圖。

1）坦克裝甲板受到太陽輻射加熱，與外界環(huán)境空氣進行對流換熱，與駕駛員和戰(zhàn)斗員進行輻射換熱，與排煙管進行導(dǎo)熱，與動力裝置和傳動裝置進行導(dǎo)熱和輻射換熱，與動力艙內(nèi)空氣進行對流換熱。

2）動力艙空氣與坦克裝甲板進行對流換熱，與動力裝置和傳動裝置進行對流換熱。

3）動力裝置和傳動裝置向坦克裝甲板導(dǎo)熱和輻射換熱，與動力艙內(nèi)的空氣進行對流換熱。

圖1 坦克裝甲熱分析示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal analysis of tank armor

1.2 單元劃分

集總參數(shù)法是忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的簡化分析方法，適用于坦克裝甲這種內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與外部傳熱熱阻相差懸殊的大平面?zhèn)鳠釂栴}。使用集總參數(shù)法進行坦克裝甲熱分析時，單元劃分應(yīng)滿足畢渥準(zhǔn)則［2］。

式中:Bi為畢渥數(shù)；h為單元外表面的對流換熱系數(shù)；V為單元體積；A為單元外表面面積；λ為單元導(dǎo)熱系數(shù)；M是與物體幾何形狀有關(guān)的無量綱數(shù)。

坦克裝甲由車首上下裝甲、駕駛室頂裝甲、炮塔底裝甲、左右側(cè)裝甲、翼子板、裙板、駕駛室與動力艙隔板、動力艙頂裝甲、后裝甲以及底裝甲等組成，將火炮管和炮塔放在坦克裝甲中一并考慮。進行單元劃分時，所有的坦克裝甲視為平板，炮塔作為空心球體，炮管作為圓柱體?？紤]到坦克裝甲結(jié)構(gòu)的對稱性，只對半側(cè)坦克裝甲進行單元劃分。所有裝甲單元劃分滿足畢渥準(zhǔn)則。

1.3 熱平衡方程

由能量守恒定律可知，達到熱平衡時，坦克裝甲熱單元的穩(wěn)態(tài)能量方程［2］為

式中:Q為熱流量，下標(biāo)gen、in和out分別表示產(chǎn)熱、流入和流出，下標(biāo)sj、rdj和rpj分別表示太陽、乘員和動力傳動裝置與熱單元j的輻射，下標(biāo)vj和pj分別表示坦克排煙管和動力傳動裝置與熱單元j的導(dǎo)熱，下標(biāo)daj表示動力艙空氣與熱單元j的對流換熱，下標(biāo)ja表示熱單元j與外界環(huán)境空氣的對流換熱，下標(biāo)ji表示熱單元j向相鄰熱單元i的導(dǎo)熱，下標(biāo)rji表示熱單元j向相鄰熱單元i的輻射換熱；n為與熱單元j相連的導(dǎo)熱單元個數(shù)；m為與熱單元j輻射換熱的單元個數(shù)。

太陽向熱單元j輻射的熱流量Qsj［3-6］為:

式中:E為輻照度，下標(biāo)dir、sca和ref分別表示太陽直射、散射和地面對太陽的反射；α為吸收比。

坦克排煙管和動力傳動裝置向熱單元j的導(dǎo)熱流量、相鄰熱單元之間的導(dǎo)熱流量可統(tǒng)一表示為

式中:ΔT為溫度差；下標(biāo)x分別代表v、p和i.

動力艙空氣與熱單元的對流換熱流量、熱單元與外界環(huán)境空氣的對流換熱量可統(tǒng)一表示為

式中:下標(biāo)y分別代表下標(biāo)da、a.

乘員和動力傳動裝置與熱單元的輻射熱流量、熱單元之間的輻射熱流量可統(tǒng)一表示為

式中:ε為發(fā)射率；X為角系數(shù)；下標(biāo)z分別代表d、p和i；σ為斯蒂芬-波耳茲曼常數(shù)。

1.4 熱平衡方程的求解

在熱平衡（2）式～（8）式中，將熱網(wǎng)絡(luò)中熱單元對應(yīng)的以其溫度為待求量的能量方程組，用以矩陣形式表達的非線性代數(shù)方程組表示:

式中:aij為方程組系數(shù)矩陣的元素；ci為常數(shù)向量的元素；Ti為溫度向量的元素；n為熱網(wǎng)絡(luò)中的熱單元數(shù)目。

1.5 裝甲熱網(wǎng)絡(luò)

熱網(wǎng)絡(luò)主要由熱單元、導(dǎo)熱熱阻、熱橋、熱源、流量源及壓力源、控制元件等組成。在熱流體系統(tǒng)仿真分析軟件Flowmaster中:“”代表熱單元，“”代表導(dǎo)熱熱阻，“”代表熱橋，“”代表熱源，“”表示輻射源，“”代表流體流量源，“”代表壓力源，“”和“”是控制元件。由于某型坦克裝甲內(nèi)部結(jié)構(gòu)、傳熱方式、邊界條件的不同，為計算方便，在應(yīng)用Flowmaster商業(yè)軟件構(gòu)建熱網(wǎng)絡(luò)時，忽略坦克裝甲內(nèi)部對傳熱影響不明顯且較小的零件、固定件、水管、油管及設(shè)備表面小附件體積，將空氣視為理想流體，將某型坦克裝甲構(gòu)建為兩個熱網(wǎng)絡(luò)，兩個網(wǎng)絡(luò)之間按耦合界面處理。熱單元劃分及構(gòu)建的熱網(wǎng)絡(luò)如圖2～圖4所示。

圖2 坦克裝甲單元劃分示意圖Fig.2 Unit division of tank armor

圖3 坦克裝甲熱網(wǎng)絡(luò)1Fig.3 Thermal net 1 of tank armor

圖4 坦克裝甲熱網(wǎng)絡(luò)2Fig.4 Thermal net 2 of tank armor

當(dāng)熱單元的產(chǎn)熱量、傳熱熱阻及邊界溫度確定后，得到（9）式中系數(shù)矩陣值和常數(shù)向量的元素值，應(yīng)用高斯-塞德爾迭代數(shù)值求解方法，求出各個熱單元的溫度。

2 坦克裝甲設(shè)計工況溫度計算結(jié)果

設(shè)計工況是指坦克柴油機處于標(biāo)定工況、坦克按最高速度行駛、外界環(huán)境空氣溫度為35℃的典型工況。坦克設(shè)計工況下大氣透明率取0.75、太陽高度角為70°.利用建立的坦克裝甲熱分析模型進行計算，計算結(jié)果如表1所示。

表1 坦克裝甲設(shè)計工況下溫度計算結(jié)果Tab.1 The calculating results of tank armor temperature in design condition

從表1可以看出，坦克裝甲主要有4個高溫區(qū)域:排煙管室（熱單元8、熱單元9、熱單元10、熱單元13、熱單元14、熱單元15、熱單元20、熱單元21、熱單元31）、后裝甲（熱單元27、熱單元28）、排氣窗（熱單元24、熱單元25）和主動輪附近側(cè)裝甲（熱單元33）。其中:排煙管室周圍高溫?zé)釂卧^多，這是由于坦克排煙管隔熱層外表面溫度為內(nèi)熱源外表面溫度最高點，在導(dǎo)熱作用下，達到熱平衡時影響面積大；坦克排煙管室翼子板頂面（熱單元9）、排煙管室翼子板側(cè)面（熱單元14）、動力艙頂面左前角（熱單元20）以及排煙管附近側(cè)裝甲（熱單元31）溫度要高于排煙管室周圍其他熱單元溫度，這是由于上述熱單元距離排煙管較近、導(dǎo)熱熱阻小的緣故；溫度最高點為排煙管附近側(cè)裝甲，高達144.5℃，這是由于排煙管附近側(cè)裝甲被翼子板遮擋，與外界環(huán)境空氣不發(fā)生對流換熱，而排煙管室周圍其他熱單元與外界環(huán)境空氣對流換熱強烈，因此排煙管附近側(cè)裝甲表面溫度要遠(yuǎn)高于排煙管室周圍其他熱單元溫度。

坦克運行過程中由于風(fēng)扇傳動齒輪嚙合、摩擦等產(chǎn)生大量的熱，經(jīng)后裝甲傳至外表面，因此后裝甲溫度也很高；主動輪附近側(cè)裝甲溫度較高也是由于側(cè)減速器在運行過程中摩擦產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)所致。

頂裝甲排氣窗熱單元溫度在設(shè)計工況下達到了80.0℃，這是由于設(shè)計工況下動力艙內(nèi)排出的空氣與排氣窗熱單元進行強烈的對流換熱，因此排氣窗溫度較高；在頂裝甲導(dǎo)熱和動力艙內(nèi)部空氣的對流換熱作用下，排氣窗附近熱單元也成為溫度較高的熱源。

坦克裝甲其他熱單元與外界環(huán)境空氣溫差在15℃以內(nèi)，最高溫度為47.3℃，與坦克排煙管室、后裝甲、排氣窗和主動輪側(cè)裝甲等區(qū)域存在較大反差。綜上可知，上述排煙管室、后裝甲、排氣窗和主動輪附近側(cè)裝甲4個區(qū)域為坦克裝甲高溫區(qū)，集中體現(xiàn)了坦克裝甲的熱特征。

3 坦克裝甲熱分析模型驗證

為檢驗坦克裝甲熱分析模型的合理性，對某型坦克進行了實車測試。

試驗時外界環(huán)境空氣溫度為23℃，無風(fēng)，外界環(huán)境空氣壓力98.25 kPa，大氣透明度正常。坦克以4擋18.82 km/h速度行駛，進排氣百葉窗全開，柴油機達到平衡后，水散熱器和油散熱器進口水溫和油溫分別保持在90℃±1℃.

表2是上述熱單元溫度試驗值與計算值的對比。由試驗值與計算值的對比可知，二者最大誤差為6.92%，表明建立的坦克裝甲熱分析模型是合理、正確的。

表2 坦克裝甲溫度試驗值與計算值的對比Tab.2 The comparison experimental and calculated results of tank armor temperature

4 結(jié)論

1）基于集總參數(shù)法建立了坦克裝甲熱分析模型，合理劃分了坦克裝甲熱單元，根據(jù)能量守恒定律列出了熱平衡方程，搭建了包含熱單元、內(nèi)熱源、導(dǎo)熱熱阻、對流換熱熱橋、輻射換熱源等元件的熱網(wǎng)絡(luò)，確定了坦克裝甲熱平衡計算求解方法。

2）利用坦克裝甲熱分析模型計算了某型坦克在設(shè)計工況下的裝甲溫度，得出了裝甲表面的4個高溫區(qū)域，即排煙管室、后裝甲、排氣窗和主動輪附近側(cè)裝甲，其中排煙管室、后裝甲、主動輪附近側(cè)裝甲周圍區(qū)域高溫主要由內(nèi)熱源傳導(dǎo)所致，而排氣窗周圍區(qū)域高溫則由動力艙內(nèi)部冷卻空氣與排氣窗熱單元對流換熱所致。由于坦克排煙管表面溫度最高，且受翼子板遮擋影響，因此坦克裝甲溫度最高點位于排煙管附近側(cè)裝甲處，為144.5℃。

3）進行了某型坦克實車測試，試驗值與計算值最大誤差為6.92%，證明了坦克裝甲熱分析模型的正確性。

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［1］ 周國印.坦克裝甲熱分析與熱抑制方法研究［D］.北京:裝甲兵工程學(xué)院，2012. ZHOU Guo-yin.Thermal analysis of tank armor and research on thermal restraint methods［D］.Beijing:Academy of Armored Forces Engineering，（in Chinese）

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Thermal Analysis of Tank Armor Based on Lumped Parameter Method

HU Jin-suo1，ZHOU Guo-yin1，WANG Pu-kai2，WU Hang1，CHEN Qing-chang1，CHU Qing-guo1
（1.Armored Force Equipment and Technology Research Institute，BeiJing 100072，China；2.Department of Mechanical Engineering，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

In order to master the thermal characters of tank armor，the tank armor is divided into many units based on lumped parameter method.Thermal balance equations are established and the thermal networks of the armor are constructed.Then a computing method of thermal balance is also determined.The temperature of a certain type of tank armor is computed in design，the high temperature areas with distinct thermal features are reached，and influence reason is analyzed.The temperature of a certain type of tank armor is measured through experiments，and then it is compared with computing temperature.The maximum deviation between them is 6.92%，which proves that the model is reasonable.

ordnance science and technology；lumped parameter method；tank armor；thermal network；model；heat transfer

TJ81+0.2

A

1000-1093（2015）09-1610-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.002

2015-05-05

胡金鎖（1971—），男，高級工程師，博士。E-mail:herbeizhouyv@126.com