身管材料的高温氧化行为

随着对火力打击要求的提高、大威力火炮的发展、身管材料的高温氧化日益严重,严重影响武器性能的发挥,甚至导致武器报废。但目前对身管材料的抗氧化性能研究较少。针对3种身管材料PCrNi3MoVA钢、30SiMn2MoVA钢和MPS700钢,研究其在600℃空气条件下的抗氧化性能和氧化机理。通过扫描电子显微镜、能谱和X射线衍射仪分析了氧化层的截面形貌和物相,分析其氧化动力学行为。研究结果表明:随着氧化时间增加,3种钢的氧化膜厚度逐渐增厚,厚度增加率逐渐降低,3种身管钢的氧化动力学曲线都符合氧化膜抛物线生长动力学规律;在600℃高温下,PCrNi3MoVA钢中的内氧化层形成了具有网络结构的粘附层,该网络结构主要由富含Ni和Cr的尖晶石氧化物组成,而该粘附层并不能成为防止氧化的屏障;30SiMn2MoVA钢氧化层的内层为Si氧化物的多孔聚集区,结构较为松散,氧化物剥落较为严重;MPS700钢的内氧化层形成了富含Cr的保护性氧化层,有效的阻碍了氧化的继续进行;同时,Mo稳定了氧化膜,间接提高了抗氧化性;综合对比,由于Cr、Mo等合金元素的综合作用,在高温工况下MPS700钢比PCrNi3MoVA钢和30SiMn2MoVA钢能够更好地形成致密的氧化层,从而可降低基体的高温氧化和磨损程度,更有适用于制备长寿命、高可靠性身管材料。

主成分分析和灰色模型组合的身管多点烧蚀磨损量预测

身管是火炮类武器的关键零件,对其烧蚀磨损量进行预测,有助于保持火炮作战效能。针对火炮身管沿轴向各点烧蚀磨损量需分别建立数学模型进行预测问题,提出一种组合烧蚀磨损量预测方法。采用主成分分析(principal component analysis,PCA)方法对身管多点烧蚀磨损量进行数据空间降维,提取反映烧蚀磨损量变化的主成分,利用灰色模型对主成分进行多步预测,通过PCA逆运算获得身管内膛多点烧蚀磨损量预测值。结果表明,在历史数据较少的条件下,通过选择合适的预测步数可获得较为准确的预测值,为身管内膛多点烧蚀磨损量的预测提供了一种新的有效途径。

基于身管应变的小口径火炮弹丸速度测试方法

针对传统火炮弹丸速度测试方法中存在难以获取整条速度曲线、易受环境影响、体积庞大、成本较高、操作复杂等问题,提出了一种基于身管应变的小口径火炮弹丸速度测试方法。基于30 mm口径火炮设计了应变测试仪,实现身管外壁应变测试。根据厚壁圆筒理论计算得出火炮膛压曲线,通过弹底压力解算模型得出弹底压力曲线,与弹载存储测试方法得到的弹底压力曲线进行对比。结合弹丸运动方程得出弹丸速度曲线,采用四阶龙格库塔算法建立弹丸速度仿真模型,将应变测试、弹载存储测试得到的弹丸速度曲线与仿真曲线进行对比。结果表明:应变测试、弹载存储测试与仿真弹丸速度曲线趋势基本吻合,最大速度误差分别为1.1%和0.5%,验证了应变测试方法的可行性,为小口径火炮弹丸测速开辟了新途径。

射击过程中火炮身管发热的简便计算及其影响分析

针对火炮身管设计中精确计算身管温度变化的问题,提出一种身管吸收热量的简便算法。对身管射击中的能量转换作了简要分析,以某科研产品身管数据进行验证,分析身管发热的影响,介绍身管烧蚀寿命以及烧蚀寿命终止标准,冷却措施以及提高身管寿命措施。实验结果表明:该算法切实可行,可为身管设计提供参考。

基于极度梯度提升模型的火炮身管寿命预测

为提高火炮身管寿命预测的精度,将身管内径磨损量作为寿命预测指标,提出基于极度梯度提升(XGBoost)模型的火炮身管寿命预测算法。以火炮弹射数为输入,身管内径磨损量为输出,通过集成多个弱学习器反复训练来拟合前一个弱学习器预测值与实际值之间的残差,从而生成强学习器,并通过在损失函数后加入正则化项及采用剪枝技术降低模型过拟合的风险。基于某型火炮实测数据进行验证,结果表明:该模型不仅有效解决了火炮弹射量与身管内径磨损量之间的映射关系,且相比支持向量机、BP神经网络、灰色模型等现有算法显著提升了身管寿命预测精度。

基于最小二乘法线性回归的火炮身管寿命预测

为直观地判断火炮身管寿命,提出一种基于最小二乘法线性回归的预测方法。根据靶场身管参数试验数据分析火炮身管内径、药室长、弯曲度随射弹数增加的变化规律;利用最小二乘法线性回归建立火炮身管磨损量与射弹数的关系式;对某型火炮身管寿命进行预测。结果表明:该方法能够较为准确地预测出火炮身管寿命且算法简单,便于推广使用,可为火炮射击、退役报废等提供重要参考。

氧化钛快速相变及增强火炮身管缓烧蚀材料性能的研究

缓烧蚀添加剂被认为是延长火炮身管寿命的有效技术之一。为获得降烧蚀性能更加优异的缓烧蚀添加剂,系统开展了缓烧蚀添加剂配方对比研究、静态高温试验,成功研制出平均单发烧蚀磨损量在0.002 mm的缓烧蚀添加剂。通过实弹靶试、扫描电镜、X射线衍射仪等方法,阐明了其作用机理:氧化钛由锐钛矿型向金红石型转变,有利于缓烧蚀性能提升。氧化银能够有效促进氧化钛相变,且能够促使氧化钛快速相变。锐钛矿氧化钛的增加使这种作用得以增强,进一步提升缓烧蚀性能。此外,缓烧蚀添加剂能够附着于身管内壁,形成保护膜,尤其是身管内壁裂纹处,且膜层具有一定的厚度,能够有效阻隔火药燃气对身管内壁的侵蚀。该技术为缓烧蚀添加剂的发展提供了更多的理论和数据支撑,为身管武器延寿提供了更多的技术支撑。

基于不同Ta10W渗镀层厚度的火炮身管热力耦合数值分析

采用双辉等离子渗金属技术于火炮身管内膛渗镀抗烧蚀涂层,是延长身管武器寿命的重要手段之一。为探究Ta10W渗镀层对火炮发射传热过程以及应力分布的影响规律,该文以某125 mm口径火炮为研究对象,通过热力耦合数值分析法,根据内弹道时期火药高温高压燃气的动态变化过程定义热力载荷以及边界,从而获得在高速热流工况下,Ta10W渗镀层厚度为0.04~0.10 mm时,火炮身管的传热变化过程以及应力分布特点。结果表明:随着渗镀层厚度的增加,弹后炮尾的最高温度呈下降趋势,不同厚度产生的应力差值在身管中段会大于身管尾部,同时在炮尾的涂层与基体结合处产生应力集中,0.04 mm、0.07 mm和0.10 mm厚度Ta10W层的应力最大值分别为891.4 MPa、884.3 MPa和879.1 MPa。

基于PSD的火炮身管膛线精度测量数据补偿方法

针对火炮身管内部膛线测量技术及自动检测问题,提出一种精度测量数据补偿方法。搭建火炮内膛检测机器人测量系统。采用激光测距仪对火炮身管阴阳线内径进行测量,使用PSD激光位置传感器对火炮身管轴线与测量系统轴线的偏心距离进行测量,分析检测误差产生的原因,推导基于矢量三角法的测量数据精度补偿算法和误差补偿计算公式,通过补偿前后数据的对比分析,结果表明:该测量补偿方法是有效的,能够解决火炮内膛轴线与机器人旋转中心不重合产生误差的问题。

不同环境温度下身管钢的摩擦机理研究

轻武器、火炮身管在服役过程中受到火药燃气和弹丸的高温摩擦作用而产生磨损,导致内膛形貌发生变化和身管寿命的降低。为揭示身管材料的高温摩擦磨损机理,采用PCrNi3MoV身管钢与H90黄铜球配副,在200、400、600℃的环境温度下,使用UMT-3型摩擦磨损试验机进行了摩擦磨损试验并开展了机理分析。采用三维白光干涉表面形貌仪、XRD、SEM、EDS等设备对磨痕表面及断面的形貌、结构和成分进行了分析。研究结果表明:由于温度的增加会导致黄铜球塑性变形加重从而增加摩擦接触面积,磨损过程中压入身管钢表面深度加深,导致摩擦力增大,氧化物层下的基体发生剧烈的塑性变形,摩擦系数会随着温度的升高而增大。但是身管钢的磨损率呈现出随着温度升高先增大再降低的规律,这与在不同温度下身管钢和黄铜的强度变化以及氧化物层的厚度有关。

基于热化学烧蚀模型的身管寿命等效折算系数研究

针对当前等效全装药(Equivalent Full Charge,EFC)折算系数的国家军用标准预测值与实际测试结果差距较大的问题,基于热-化学烧蚀模型,研究不同工况下射击发数与EFC射击发数间的折算系数计算方法。射击一定发数后,假设身管内壁白层厚度及成分随射击发数呈周期性变化,由质量扩散定律建立膛线起始部热-化学烧蚀量与火药燃气侵蚀性、内膛表面瞬态温度的关系。通过经典内弹道模型获得弹后空间火药燃气平均温度及内壁面强制对流换热系数,在考虑后效期高温燃气影响的基础上,建立身管内壁瞬态温度计算模型。以对内弹道过程有重要影响的射速、药量和药温为重点,计算不同射速、不同药号和不同药温下的身管内壁烧蚀量,并据此获得不同工况下的折算系数。研究发现,射速越快,装药质量越大,装药初始温度越高,单发射击造成的身管烧蚀越严重,其对应的EFC折算系数越大,其中强装药的EFC折算系数可达2.131。以某型155 mm火炮身管实弹射击数据为例,验证了新模型的合理性。

火炮身管烧蚀磨损状态下弹带挤进过程仿真分析

为探究火炮身管膛线不同磨损状态下弹带挤进过程中的受力及动态响应情况,基于Johnson-Cook本构关系模型建立了不同磨损状态下的身管模型,并利用有限元显式分析求解了弹炮耦合模型,得到了不同身管磨损状态下弹带受力及弹丸运动响应结果,包括挤进过程弹体速度、加速度、法向位移等运动曲线。由仿真结果可以看出:膛线不均匀磨损会导致弹丸在挤进过程中产生较大的径向位移和振动,烧蚀产生的烧蚀坑及裂缝会加剧这一现象;但轴向速度、位移变化平滑,加速度受弹底压力影响较大。

身管内膛尺寸激光检测系统标定与实验

基于研制的身管内膛检测机器人,对其激光位移传感器及PSD二维位置传感器在内膛检测装置中的相对安装位置误差进行了深入研究。提出了基于精密三维移动台及精密转台的标定测量方法,分析了身管内膛测量装置的工作原理及控制方法,并且对PSD与激光位移传感器之间的轴偏角及轴偏距进行了精确标定,阐述了具体的标定方法及步骤。通过对标定测量数据统计分析,确定了测量器件的关键位置参数。经160 mm标准管道的实验对比分析,表明该标定方法能够消除测量器件安装位置误差,保证了整个系统的检测精度,提高了测量结果的准确性。

基于应变的火炮身管健康监测和剩余寿命评估的可行性研究

火炮发射过程中产生的烧蚀磨损和疲劳使身管性能逐渐衰退直至不能使用,更为严重的是,时而发生的膛炸事故对人员生命和武器装备安全构成威胁,身管发射安全隐患始终存在。传统的身管寿命评估方法,包括基于尺寸、图像、温度和初速变化来预测身管剩余使用寿命的方法,尚不能科学、准确地评估身管健康状态和剩余使用寿命。针对该问题,在深入分析身管内膛损伤物理机制的基础上,提出以发射时身管外壁面应变为损伤特征参数的身管健康监测方法,揭示了应变与弹丸-身管-发射药系统之间的内在映射关系,阐释了该方法的基本原理以及如何用于评估身管剩余使用寿命。火炮实弹射击数据和数值模拟结果均证实了该方法的科学性、可靠性和实用性。

高射速自动机身管热容量分析

针对自动机在连续射击条件下,身管承受高频、高温冲击作用的特点,建立自动机发射过程中身管的热传导有限元分析模型。采用热传导学理论与有限元方法相结合方法,重点分析不同射弹数、不同身管壁厚和不同发射方式下,身管内、外壁温度数据的变化规律。该分析可对自动机身管热容量设计提供一定的指导意义。

基于激光圆周扫描和定心修正的火炮身管内膛检测方法研究

火炮身管内膛的状态直接影响着火炮的射击精度和安全性,针对目前激光圆周扫描检测方法存在的定心不准、激光束与管壁垂直度差等现状所导致的检测精度不高的问题,提出一种基于激光圆周扫描的通用口径火炮身管内膛检测定心修正算法。通过校正管道和装置上的姿态传感器完成检测装置轴线与校正管道轴线的平行。修正装置根据定心修正算法完成激光位移传感器旋转轴线与校正管道轴线的重合以及激光束与管壁的精确垂直,完成身管内膛深度特征的精确测量。该修正算法及装置对于提高火炮身管检测精度和效率,研究身管剩余寿命和健康监测有着重要的理论意义和实用价值。

火炮身管疲劳断裂试验和数值模拟研究

烧蚀磨损和疲劳是影响火炮身管寿命的主要因素,前者使内膛表面产生了随机的烧蚀坑或微裂纹,形成了大量的应力集中区,在疲劳作用下,微裂纹沿身管径向由内向外扩展形成宏观裂纹,一旦其深度达到临界值,继续发射则可能导致身管断裂。针对身管疲劳断裂问题,根据火炮发射过程中载荷作用特点,自主设计了液压冲击疲劳试验装置,在实验室条件下再现了身管服役条件下的疲劳断裂现象。试验结果表明:冲击载荷作用下,身管疲劳断口包括裂纹源、扩展区和瞬断区3个部分,扩展区呈现典型的“海滩条纹”特征;身管外壁面周向应变的演化规律与裂纹的扩展速率变化规律之间存在内在的映射关系,从而可为身管健康监测、发射安全性评估提供新的技术手段。数值模拟采用J-C方程描述炮钢材料的动态本构关系,将材料的应变率效应纳入仿真计算过程中,模拟结果与试验结果之间具有较好的一致性。

基于准滑动模态的动态非平衡身管高精度俯仰控制

非平衡身管俯仰系统属于典型的电液伺服系统,在路面波动条件下实现其高精度位置控制,可有效提升身管武器的远程精准打击能力。为此,分析非平衡身管俯仰工作原理及路面波动影响机制,建立各组件的数学模型并联立得到系统状态空间模型;基于准滑动模态,设计改进饱和函数的双幂次趋进律滑模控制器;最后,搭建路面波动条件下非平衡身管俯仰滑模控制仿真模型,进行仿真分析并与指数趋进律、双幂次趋进律滑模控制器的控制效果对比,验证所提方法的可行性和有效性。结果表明:所提方法具有跟踪精度高、响应时间短、抖振抑制效果好且所需能量少等优势,可满足动态非平衡身管高精度控制的需求。

火炮身管失效机理与炮钢的发展

火炮身管材料不仅与武器寿命,也与精度、火力等战技指标密切相关。随着指标不断提升,身管服役工况愈加恶劣,而现用身管钢由于热强性低、抗烧蚀弱等问题,已难以满足火炮系统的要求。综述了项目团队在火炮失效机理突破、长寿命枪炮身管系列新材料与制备技术、实弹考核验证及应用等多方面的进展与成果,建立枪炮身管寿命关键参数(初速、精度与立靶密集度、横弹、弹带削光)与身管材料关键性能(室温低温高温强韧性、烧蚀性能、耐磨性能、疲劳性能)间的内在关系,以此为依据提出高热强性身管材料性能特征与提升思路,实现火炮身管新材料高温强度较现用材料均提高1.5~2倍以上,高温磨损率仅1/5~1/2,实弹寿命翻倍提升,且已在多个装备上应用,从材料方面为现用火炮及新一代高膛压、超远程火炮身管延寿和性能提升提供坚实技术支撑。

身管内表面烧蚀磨损研究进展

身管的寿命长期制约着火炮性能和战斗力的提升,因此现代装备迫切需要延长身管的使用寿命。详细阐述了影响身管内表面的因素以及身管使用寿命上的研究进展。介绍了国内外烧蚀磨损研究现状,分析了身管内表面烧蚀磨损形貌影响因素及其在服役过程中的变化过程。针对影响烧蚀磨损的热作用、化学作用和机械作用总结了相应的保护措施,即镀层、缓蚀剂和弹带材质,并分析了各方法的特点。该研究可为相关人员了解身管寿命机理研究现状和进一步研究工作提供参考。