某大口径火炮弹丸卡滞的内弹道计算与分析

针对某次膛炸事故,从经典内弹道和一维两相流内弹道两个方面建立了弹丸卡滞的内弹道数学模型,并进行了计算与分析。经典内弹道计算结果认为,在弹丸发生卡滞时刻,大部分发射药已燃烧,膛压曲线处于下降阶段,弹丸卡滞后,膛压虽有一定程度的上升,但膛压上升幅值并不大。一维两相流内弹道计算结果认为:弹丸卡滞时,膛底压力明显处于下降阶段,而弹底压力则在峰值附近,当弹丸突然停止运动后首先引起弹底压力骤升,上升幅值超过50%,压力波从弹尾向膛底传播引起膛底压力上升,压力波到膛底后反射,又向弹底传播,形成膛内压力的剧烈震荡,且压力波整体上呈振荡收敛趋势。     

基于烧蚀磨损理论的某新型高炮内弹道性能预测

以某新型高炮为研究对象,基于火炮烧蚀磨损理论展开内弹道性能预测研究。对现有计算方法进行局部改进,分析火药气体作用下的弹丸膛内运动过程与弹丸受力。建立了身管烧蚀磨损后的内弹道仿真模型。对计算结果进行拟合,分别得到了径向磨损量与炮口相对初速下降量、最大膛压下降量之间的函数关系。     

材料热物特性对热身管中弹丸运动状况的影响研究

为了进一步了解热枪散布异常机理,在基于身管温度场研究的基础上,建立了考虑材料热物特性的热枪弹丸膛内运动分析有限元模型。以热分析的身管温度场数据作为边界条件,通过显式动力学分析,获得了材料热物特性影响下的弹丸膛内运动状态。对比实验数据,验证了该弹/枪耦合模型的正确性。研究表明:随着身管温度升高,身管热膨胀特性在膛口位置增加了弹丸质心位移及膛内摆角,但减小了弹丸质心侧向速度;身管热弹性在膛口位置增加了弹丸摆角,降低了弹丸质心速度;被甲热塑性增加了膛口弹丸质心侧向位移、膛内综合摆角,降低了弹丸质心侧向速度。研究结果将为进一步研究热散机理,提高射击精度提供一定的帮助。     

运动激励下身管动力学特性研究

身管振动是影响火炮射击精度的重要因素,针对弹丸膛内高速运动冲击下的身管振动问题,建立了移动弹丸作用下身管的横向振动模型,导出了无质偏弹丸激励下的动力学方程,并采用分离变量法求解了身管振动的动力学响应;对不同弹速激励下的身管振动响应进行了数值仿真,讨论了弹丸运动速度与炮口振动幅度的变化规律;研究结果表明:欲抑制火炮发射时的炮口振动,弹丸膛内的运动速度应尽量取得大些;建立的模型与采用的分析方法,亦可用于电磁轨道炮的动力学研究。     

中大口径加榴炮发射环境极限边界工况炮-弹-引耦合响应特性

针对中大口径加榴炮机械触发引信早炸时有发生,引信及其典型结构在内弹道高动态复杂力学环境下的响应特性不清晰、失效机理不明确等问题,建立了考虑身管中后期磨损、底排弹0号装药、弹丸最大装填角、弹丸与引信极限偏差等极限边界工况的内弹道环境炮-弹-引耦合动力学仿真模型。采用融合SPH和Lagrange的有限元计算方法,分析弹-引典型机构响应特性,并通过底凹弹和底排弹典型工况测试数据对仿真模型的预测误差进行验证。结果表明,极限边界工况会对弹丸挤进阻力、前定心部与身管撞击力的时域分布特征以及运动姿态等造成显著影响,会对引信及其典型机构过载响应造成较大影响。相比底凹弹和底排弹常规工况,膛内弹丸与身管撞击力分别增大63.75倍和29.82倍,出炮口瞬间弹丸俯仰角分别增大8.69倍和6.71倍,偏航角分别增大3.89倍和1.75倍,膛内引信回转体轴轴向峰值过载分别增大19.49%和5.44%,径向峰值过载分别增大78.7%和1.44倍。极限边界工况下,膛内阶段引信发生强度失效的风险明显增大,出炮口后弹引初始章动角量值明显增加,飞行阶段异常作用的风险也会增大。相关研究对于探寻复杂动态力学环境中大口径机械触发...     

某大口径枪械内弹道挤进时期的数值仿真与分析

针对线膛枪管内膛与弹丸的复杂结构以及高度非线性的挤进过程,求解了弹丸挤进时期的弹底压力,采用多软件综合仿真的方法,建立了枪管和弹丸的高精度有限元模型,模拟了弹丸的挤进过程。分析了弹丸挤进过程所受应力、变形量的时空演化规律,展示了弹丸上膛线刻痕的形成过程,获得了弹丸嵌入阻力变化规律的仿真结果。通过计算并比较弹丸嵌入阻力不同拟合公式的可决系数,获得了弹丸嵌入阻力的最优拟合公式。所得结果为内弹道起始问题的研究、枪管内膛结构设计提供了理论参考。     

火炮卡膛一致性问题研究

为了分析火炮输弹过程对弹丸卡膛一致性的影响,研究了整个输弹过程.通过考虑输弹过程中的输弹力、卡膛速度、弹丸入膛过程中与身管内壁的接触碰撞等方面因素,建立了卡膛过程的动力学模型,对输弹力、弹丸与身管的间隙及接触碰撞对卡膛一致性的影响进行了分析和定量研究.分析结果表明,采用恒力输弹方式、弹丸与身管间的间隙及其接触碰撞的存在必然降低高低射界内不同射角弹丸的卡膛一致性,而采用变力输弹方式和降低输弹机安装位置等措施可以有效改善弹丸的卡膛一致性.     

弹底压力测试技术

压电型压力传感器具有加速度效应,通过对其加速度效应测试的研究有助于弹丸膛内弹底压力数据的处理分析。压力传感器与加速度传感器同时安装在记录仪中,将记录仪安装在马歇特锤上进行了5 100g的冲击实验。对比压力传感器与加速度传感器的响应曲线,压力传感器的低频响应与加速度响应相关系数达到89.7%。采用膛内的加速度响应曲线修正弹底压力后,其峰值与膛底压力峰值相比误差为0.5%。     

引信设计用内弹道和中间弹道特性分析

火炮弹丸内弹道特性和中间弹道特性对于引信设计而言十分重要。为给引信设计和分析提供参考，列出了国产制式火炮弹丸的内弹道性能，在此基础上进行了内弹道特性分析和中间弹道特性分析。结果表明：弹丸膛口压力平均为其最大膛压的1/4，而弹丸最大压力时间平均为弹丸膛内运动时间的2/5，弹丸最大压力点速度平均也为弹丸膛口速度的2/5。弹丸后效期长度可按20～46倍口径估算（平均为33倍口径），也可按（87-150）（ω／M）D估算，平均为119（ω／M）D。但此式不适用于迫击炮和无后坐炮。弹丸后效期长度还与武器膛口装置有关。在不考虑弹丸膛口装置影响的情况下，弹丸后效期时间长度约为0．9～10ms。利用文中给出的经验公式，由膛口速度和身管长度（或口径）即可估算出弹丸膛内运动时间和最大加速度。估算结果可用于引信分析与设计。     

具有二次加速功能的三药室发射装置实验研究

提高初速是身管武器技术永恒的研究主题。提出了一种具有二次加速功能的三药室发射装置工作原理,对其发射进行了实验研究。该装置特点是在身管上离主药室一定长度的水平位置,增加两个辅助药室,弹丸通过辅助药室入口处时,弹后高温、高压火药燃气点燃辅助药室装药,辅助装药燃烧产生的气体可减缓弹后空间压力下降,使弹底维持较高压力,达到弹丸二次增速目的。发射实验结果表明,该装置在不显著增加膛压的情况下,比单药室发射时平均初速提高15%左右,对工程防护终点弹道效应实验研究具有参考价值。     

引信设计用火炮内弹道曲线的Logistic经验公式

为了便于炮弹引信后坐运动机构的分析和计算,能使引信工作者只根据身管长度和炮口速度等少量参数就能获得弹丸膛内加速度近似曲线,运用Logistic函数拟合火炮内弹道的位移-时间曲线和速度-时间曲线,再对拟合得到的速度-时间曲线求导便得到了弹丸膛内加速度近似曲线.对76种制式火炮弹药内弹道曲线拟合结果进行分析和处理,得到具有普适意义的引信设计用火炮内弹道曲线的Logistic拟合经验公式.Logistic经验公式所拟合的弹丸膛内加速度曲线虽不如传统的余弦简化法和直线简化法拟合精度高,但为连续函数,形式简单,所需参数也少,便于在引信设计计算中应用.     

基于锥膛炮的弹丸弹裙膛内阻力研究

针对锥膛炮炮膛和弹丸的结构特点,分析了锥膛炮直膛段弹丸后弹裙与膛壁之间摩擦阻力的变化过程和锥膛段弹丸弹裙高速冲击锥膛受到的挤压阻力变化过程;建立了弹丸弹裙膛内阻力数学模型;根据所建模型进行了编程计算,得出了弹裙膛内阻力-位移变化曲线、膛压-位移曲线和速度-位移曲线,计算结果与实验结果一致。研究结果可为锥膛炮内弹道设计和弹丸结构优化提供参考。     

火炮身管内膛擦拭及影响

简述了人工手动擦拭、半自动擦拭和自动擦拭的优缺点及应用,并分析了身管内膛特别是膛线起始部的擦拭对起始弹道中弹丸挤进压力、首发近弹、胀膛、膛炸、身管寿命等的重要影响。分析表明,研制新的擦拭剂,开发新的擦拭工艺对实现高效、环保、经济的身管内膛维护保养至关重要。     

身管内膛参数化模型及其磨损有限元模型的生成方法

为了精确地建立磨损内膛有限元模型,提出分片拼接法,建立身管内膛的参数化实体模型;提出节点偏移法,构建磨损程度不同的内膛有限元模型;通过搭建磨损内膛的弹炮耦合模型,并计及磨损内膛体积增大量,采用热固耦合有限元法分析了火炮内弹道膛压和弹丸初速的退化过程。通过对比仿真结果和实验数据,验证了上述建模方法的正确性。该研究不仅对身管的设计和分析具有参考意义,也可以为火炮内弹道的性能退化提供评估方法。     

远程火炮弹丸起始扰动的动力学特性

为研究远程火炮射击时弹丸起始扰动的形成机理,基于凯恩动力学方法建立火炮动坐标系下弹丸动力学模型.基于该模型提出火炮运动环境下的弹丸运动描述方法,给出弹与炮相互作用力和力矩的表达式.结合工程实际,对弹丸在发射过程中运动规律进行理论研究.通过仿真验证弹与炮间隙、弹丸质量偏心、膛内火药气体泄漏以及身管弯曲、身管弹性振动和炮架...     

超高射频火炮发射过程仿真分析

针对串联预装填超高射频火炮的特点,建立了膛内火药燃气排空过程的计算模型,详细分析了后随弹丸弹前残余火药燃气的压力变化过程,并对弹前压力、弹后空间变化情况下弹丸运动规律进行计算.研究了3发弹丸以不同发射间隔序贯发射时的内弹道过程,对其规律和约束条件进行讨论,分析了发射频率对膛压和膛口速度的影响,弹前压力是影响超高射频火炮内弹道性能的关键因素,在发射间隔一定的情况下通过对超高射频火炮的调整和设计可以取得较好的内弹道性能.     

“金属风暴”武器的耦合膛压测试弹设计

为了获得“金属风暴”武器发射过程中的耦合内弹道参数,以达到武器系统优化改进目的,设计测试“金属风暴”武器相邻弹丸之间耦合膛压的测试弹。针对30 mm小口径武器弹上空间有限、耦合膛压导致弹丸同时受弹底压力、弹前压力,力学特性复杂的问题,设计了测试弹的机械结构,将薄膜压电传感器、加速度传感器、信号采集调理、信息处理和存储、通信传输、电池等电路系统集成一体,制成了耦合膛压测试弹; 为了提高耦合膛压的测量准确性,利用加速度测试结果对薄膜传感器压力测量结果中的惯性力进行了修正。利用“金属风暴”武器开展了射击试验,检验了耦合膛压测试弹的性能。试验结果表明:耦合膛压测试弹的机械强度满足发射及回收要求,测试弹机械结构可以保护薄膜传感器不被火药气体烧蚀,经过加速度传感器修正处理可以得到弹丸发射期间的弹底压力与弹前压力,耦合膛压测试弹能够获得“金属风暴”武器的耦合内弹道参数。     

水下炮内弹道分析与数值仿真

为提高火炮在水下发射的初速，水下炮炮口设有挡水板，发射时挡水板改变了膛内弹丸的受力状况。通过水下炮发射时弹丸膛内的受力分析，考虑射弹前方压缩空气形成的激波压力，结合经典内弹道理论，建立了水下炮内弹道模型。以某口径水下炮发射为例进行了数值仿真，得到水下炮的膛压和速度曲线，与传统火炮对比，变化趋势基本一致，但膛压略有增大，初速有所减小；仿真还得到水下炮弹前激波压力曲线，仿真结果与实验结果吻合。     

火炮身管的横向振动

将火炮简化为悬臂梁,考虑剪切变形、回转惯性力矩、火炮后坐加速度、弹丸惯性力矩和陀螺力矩等的作用,得火炮身管横向振动的二阶偏微分联立方程。可用于确定内膛弯曲度、身管热变形、弹丸偏心率、内弹道诸元和身管结构等对射弹散布的影响。     

身管烧蚀磨损条件下弹体发射强度数值模拟

为研究身管烧蚀磨损对弹体发射强度的影响规律,建立了烧蚀磨损身管与弹丸的弹炮耦合有限元模型和内弹道数学模型。采用内弹道方程与弹炮耦合有限元模型双向求解算法对内弹道方程进行求解,试验与算例的对比结果验证了模型的正确性。以弹丸挤进时刻、最大膛压时刻、弹体与身管碰撞时刻的临界状态应力为表征量,分析了弹体发射强度随身管烧蚀磨损量的变化规律。结果表明,严重磨损工况相对于正常身管工况,前2个临界状态应力值分别降低了19.4%、12.5%,第3个临界状态应力增大了149.2%。由此可知,随着烧蚀磨损量增大,弹丸挤进时刻、最大膛压时刻的临界状态应力对发射强度影响度在降低,而弹丸与身管碰撞临界状态应力成为影响弹体结构发射强度的主要因素。