不同持续射击发数对火炮身管寿命的影响

火炮在服役过程中,面临不同弹种、不同装药(强装药、全装药、减装药、高温装药等),以及快速持续射击与性能检验射击,因此有必要研究不同弹种、不同装药及不同持续射击发数对火炮身管寿命的影响。目前身管寿命评定主要通过国家军用标准等效折算系数将不同弹药类型射弹数等效折算为标准弹药或规定配比的标准弹药,但现有国家军用标准身管寿命等效折算方法仅包含膛压、初速两个因素,未考虑持续射击发数对身管寿命的影响,导致无法有效评估火炮不同持续射击发数下的身管寿命。基于阿伦尼乌斯方程研究身管材料热化学烧蚀模型,分析发现不同持续射击发数对身管寿命具有重要影响,火炮持续射击发数越多,火炮身管寿命越低。通过对比某火炮不同持续射击发数下身管寿命仿真与试验结果,验证了身管热化学烧蚀模型对预测不同持续射击发数下火炮身管寿命的准确性。

火炮身管内膛表面材料强度退化机理研究

火炮射击过程中身管在热、力、化学等因素作用下平均每发射弹会产生微米级的内径扩大,是造成身管寿命终止的主要原因,研究内膛表面材料性能变化对揭示身管寿命机理具有重要意义。通过分析某寿命终止155 mm口径身管内膛表面材料组织和性能,获得了身管不同部位内膛表面材料组织形貌、厚度及力学性能。结合身管温度梯度分析及烧蚀模拟试验,揭示了身管内膛表面材料性能退化机理及其与射弹发数关系。研究结果表明:身管寿命初期,在火药燃气作用下内膛表面材料相变形成硬化层,硬化层厚度与火药燃气温度及作用时间相关;身管烧蚀磨损发生在硬化层表面,硬化层常温下硬度和强度比基体高1倍,呈现硬脆特征,高温下硬度和强度迅速下降,在弹带摩擦及气流冲刷下造成身管内径扩大。

转膛自动机驱动机构闭气性能及可靠性建模分析

为解决转膛自动机驱动机构的闭气问题,以瞬时流量作为闭气性能指标,分别针对转膛衬套轴向间隙和转膛衬套与身管衬套径向间隙的漏气模式,分析了内部间隙、端面压力等共因变量的动态变化过程,并建立了气室模型和粗糙表面流量模型,得到相应的闭气性能函数。通过设计参数的随机性假设和灵敏度分析,确定了单边间隙、膛压、弹性模量3个关键设计参数,应用Box-Behnken试验设计方法建立了带交叉项的时变二次响应面模型,计算得到不同瞬时流量阈值下的闭气可靠度。分析结果为转膛自动机驱动机构的可靠性设计优化提供了理论依据。

大口径火炮座圈整体结构动态响应研究

采用炮塔加座圈整体结构的刚柔耦合有限元模型,计算获得了某大口径火炮座圈在射击载荷作用下的变形和应力分布。针对模型将滚珠简化为刚体引起的座圈局部应力较大问题,建立了一个简化模型分析了滚珠材料参数对座圈局部应力的影响,进而对实际座圈模型的应力进行了修正。结果表明,炮塔加座圈整体结构的刚柔耦合模型能够显著提高分析效率,保正了载荷传递路径,避免了传统载荷及约束简化等对座圈受力和变形的影响,弥补了传统座圈结构刚强度计算的不足,对设计具有一定指导意义。

身管材料烧蚀磨损性能研究

火炮射击过程身管内膛在高温、高压以及高速摩擦下发生烧蚀和磨损等现象,当身管烧蚀磨损量达到一定程度,将引起火炮初速、密集度等性能的显著降低,使身管“寿命终了”,火炮失去作战能力,因此研究身管材料烧蚀、磨损性能对理解和延长身管寿命具有重要的意义。通过身管材料烧蚀、磨损性能实验研究,发现在氧丙烷火焰烧蚀过程中,材料表面发生金属氧化和熔融,同时萌生密集的热裂纹并扩展,使得表面产生明显的烧蚀坑。身管材料在不同温度、摩擦速度、压力下的磨损过程中,磨损率随着压力的增大而增大,当摩擦速度小于1 m/s时,材料磨损率随着速度增加变化较小,在室温至300℃范围内,材料磨损率随着温度的升高而降低。

火炮身管内膛表层温度及其梯度规律研究

火炮射击过程中高温火药燃气可使身管内膛表面材料强度降低、发生相变甚至形成熔融态,加速身管内膛表面形成烧蚀、冲刷、磨损及开裂等损伤,研究身管内膛表面温度及梯度对揭示身管损伤机理具有重要意义。以大口径155 mm火炮身管对象,建立身管热-结构耦合动力学模型,仿真研究阳线棱边倒角、表面镀铬等对身管内膛表层温度的影响规律,结合实弹射击试验后身管内膛表面热影响层检测对仿真结果进行对比。研究结果表明:身管内膛表层温度沿径向快速衰减,形成极大的温度梯度,表面温度达到1500℃、190μm处温度超过727℃;阳线棱边存在明显的热累积,温度比阳线表面高出300℃以上,阳线棱边倒角后温度约降低100℃;内膛镀铬后可使基体温度降低约400℃。

橡胶紧塞垫闭气机构的有限元分析

以大口径火炮闭气炮闩结构设计中常用的橡胶紧塞具为对象,采用有限元网格重划分法计算结构的变形和应力,即先对结构施加较小载荷,在网格畸变前提取变形后外形进行网格重划分得到更规则的网格,再继续施加载荷计算,直到载荷施加完成.在ABAQUS软件平台上,通过编制变形提取和网格重划程序,在计算过程中多次提取变形后的结构进行网格重划分,有效地避免了网格畸变对计算结果的影响,得到了橡胶塑性紧塞垫结构在膛压作用下构件的应力和变形,结构变形的趋势和幅值符合试验结果,计算结果对结构的闭气性能分析具有重要参考.

基于Kriging模型的行进间坦克结构参数不确定性分析及炮口响应优化

为了更好地研究坦克总体结构参数对炮口扰动的影响程度,提出了一种坦克结构参数不确定性分析流程。利用动力学分析软件建立了某型坦克炮发射动力学模型,并对其行进间发射过程进行仿真分析,进而随机抽取样本点代入多体动力学方程进行仿真计算。通过训练Kriging代理模型构建了坦克不确定性的Kriging近似模型,利用失效模式灵敏度分析(MSA)方法得到了坦克结构参数灵敏度排序结果。最后运用多岛遗传算法对坦克刚柔耦合模型的炮口角位移进行了优化,得到了使坦克系统炮口扰动更小的结构参数。

自行火炮工作模态分析试验技术

利用工作模态分析试验技术完成了自行火炮全炮试验模态分析,得到了所选择自行火炮全炮模态频率分布及其模态振型,并和传统试验模态分析方法进行对比。结果表明:对相同试验对象,工作模态分析试验结果与传统试验模态分析结果一致。

炮钢材料动态本构模型及其验证

在温度88~573 K和应变率0.001~2 000 s^(-1)的条件下,通过温度与应变率耦合的静态和动态分离式Hopkinson压杆实验,并以初步获得的炮钢材料动态本构模型基本参数为基础,通过进一步的优化及Taylor杆冲击实验,验证并最终确认了炮钢材料动态本构模型参数,模型预测与实验结果相对误差小于5%.验证结果表明,建立的炮钢材料动态本构模型能真实地反映其动态响应。

基于高速摄像弹道跟踪原理的弹丸章动角测试方法

弹丸章动角是影响火炮射击密集度的重要因素之一,一直是火炮研究领域的热点问题。为得到弹丸出炮口段附近弹丸章动角测试结果,采用基于高速摄像的弹道跟踪法开展弹丸章动角测试方法研究。利用高速数字摄像机和弹道跟踪架建立弹道跟踪系统,记录弹丸飞行轨迹图像,借助于图像分析软件获得弹丸上下章动角测试结果。采用弹道跟踪系统对某火炮弹丸进行实例验证,得到弹丸出炮口段附近弹丸上下章动规律,各发弹丸之间弹丸章动角数值分散性较大,第1发弹丸章动角最大值为-5.2°.研究结果表明,弹道跟踪法是获取弹丸章动角测试结果的理想方法。

自行火炮固有频率特性实验研究

为了研究自行火炮结构动态响应规律,以轮式和履带式火炮为研究对象进行了全炮模态测试,得到了全炮的固有频率及其相应模态。通过对轮式与履带式自行火炮系统振型分析,可以得到如下结论:对于轮式自行火炮和履带式自行火炮,在低频范围内从低到高其固有振型依次为全炮俯仰、平动和横滚;对于本文所选试验对象,履带式自行火炮全系统俯仰、平动和横滚固有振型对应的固有频率分别大于轮式自行火炮;对于轮式自行火炮模态测试采用传统试验模态分析方法和工作模态分析方法,均可以得到满意的试验结果,工作模态分析方法较为适合履带式自行火炮模态测试。

液压自紧身管残余应力随实弹射击的变化规律研究

依据研究获得的液压自紧身管残余应力理论模型,揭示了自紧身管内表面初始残余应力大小及沿壁厚的分布规律。应用Sachs镗削残余应力测试理论与方法,实验确定了实弹射击一定射弹量自紧身管的剩余残余应力。根据理论分析获得的初始残余应力与实验测试的剩余残余应力,通过数据拟合建立了自紧身管残余应力随实弹射弹量的变化关系式。

不同激励方式火炮结构试验模态分析研究

本文分别采用力锤激励、发动机激励和射击载荷激励的3种激励方法对某自行火炮进行了试验模态分析,分别得到了火炮低阶固有频率和振型.尽管激励方式不同,激励能量相差较大,但是固有频率和振型的结果几乎一样,即固有频率不随激励方式的不同而变化.试验得到的俯仰振动固有频率偏差只有0.13Hz,其相对误差只有3.6%.试验结果表明,尽管力锤激励的能量较小,火炮结构存在非线性因素,但是力锤激励法试验结果能反映射击工况下火炮的固有特性,实际火炮结构满足试验模态分析的线性假设.

基于有限元法的方向机传动齿轮接触应力数值仿真

针对方向机传动齿轮接触应力问题,构建一种基于ABAQUS软件的方向机传动机构的模型。以某自行高炮方向机为例分析其有限元模型,通过施加边界约束和载荷,得到方向机传动齿轮接触应力及变形,采用有限元法对传动齿轮的变形和接触应力进行了数值仿真,并与赫兹理论估算的传动齿轮接触应力进行比较。仿真结果证明:该方法有效,有限元方法与赫兹接触理论的计算结果基本一致,2种方法计算结果相差分别为5.19%和1.64%。

冲击载荷下身管延伸体改进设计及疲劳寿命研究

某小口径火炮身管延伸体在射击过程中多次出现开裂故障,导致其使用寿命无法满足指标要求。针对这一问题,基于大量的材料试验,考虑火药燃气压力的真实载荷传递路径,对系统冲击动态响应及疲劳寿命进行仿真,得到裂纹萌生寿命及位置与试验破坏现象基本一致。经结构局部改进,预测裂纹萌生寿命由500发左右提高到4 000发以上。研制了模拟冲击试验系统,对改进后结构进行了模拟冲击加载试验及实弹射击寿命试验。模拟冲击试验中,4 300次循环后萌生裂纹;实弹射击中,3 000发考核仍未出现裂纹。一次改进达到指标要求,验证了理论分析的准确性及改进措施的有效性。

某迫击炮身管寿命分析及预测

针对某型迫击炮身管材料由炮钢更换为钛合金后的身管寿命问题,通过对炮钢与钛合金材料的疲劳性能试验与理论分析,评估两种材料下的身管疲劳寿命。并以最大允许发射速度,在实弹射击试验及数据拟合分析的基础上,建立了火炮初速随射弹发数的表征关系,依据国军标判据预测了钛合金身管的弹道寿命。

身管材料性能及射击过程多物理场载荷环境研究

火炮射击过程中身管内膛多物理场载荷环境是研究身管寿命的前提。为准确获得射击过程身管内膛载荷环境,基于静态拉伸及Hopkinson压杆试验,研究身管材料在不同应变率及温度下力学性能参数的变化规律。以此为基础,建立射击过程内膛燃烧与传热的数学模型及弹丸身管耦合非线性动力学模型,获得身管内膛温度及应力场。结果表明:身管材料性能随着温度的升高急剧下降,在800℃时屈服极限约100~200 MPa左右。在挤进过程中身管起始部的最高温度为1405.7K,应力幅值接近470 MPa,摩擦速度小于50 m/s.分析结果加深了对身管材料性能及射击过程内膛多物理场载荷环境的认识,可为身管寿命的研究提供载荷输入。

自动机缓冲器特性与动强度研究

自动机在射击过程中具有较大的后坐能量,这些后坐能量通过缓冲器进行消耗.为研究缓冲器主要性能参数——刚度、阻尼、预压力的变化对自动机后坐过程的影响以及最大后坐速度与摩擦力的关系,利用运动学仿真分析软件对某自动机缓冲器后坐过程与刚度、阻尼、预压力的关系进行了研究.研究表明,通过提高阻尼系数比降低刚度更能缓和冲击,且不需要延长后坐行程;考虑到共振对缓冲器活塞运动以及筒体形状精度的不利影响,利用有限元模态分析方法对缓冲器动强度与结构的关系进行了研究.分析结果为缓冲器性能参数优化设计提供参考,最终达到降低后坐冲击,提高射击精度和密集度的目的.

火箭弹撞盖力数值仿真及实验研究

储运发箱式火箭炮前密封盖设计是该类火箭炮关键技术难题之一。由于该类火箭炮结构特性所决定,实弹射击时火箭弹撞击密封盖过程中的撞击力无法实验测试,因此应用LS-DYNA的显式中心差分算法,对某储运发箱式火箭炮撞盖力进行了数值仿真分析和模拟实验测试研究,解决了该火箭炮实弹射击时无法实测火箭弹撞击前密封盖瞬态响应的难题。对数值仿真与模拟实验测试的撞盖力结果进行了对比,其结果相对误差小于12%,仿真结果对解决该类火箭炮关键技术难题——密封盖合理设计提供了正确的理论依据。依据仿真结果改进后的前密封盖经实弹射击试验验证,完全达到了技术指标要求。