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1 500 ℃、190 μm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 ℃。     

迫击炮弹丸与身管配合间隙优化设计

针对迫击炮弹丸出炮口时的尾翼颈部折断问题,考虑弹丸前定心部与膛壁的摩擦,建立了迫击炮弹丸与身管耦合系统的有限元模型,对弹丸膛内运动过程进行了仿真计算,得到弹丸起始扰动,以出炮口时刻弹丸起始扰动的位移、角位移和角速度构建优化目标函数,以弹丸与身管配合间隙为设计变量,基于Isight软件提供的多目标优化方法对弹丸起始扰动进行优化设计,得出了相对最优配合间隙值。结果表明,迫击炮弹丸与身管配合间隙对弹丸起始扰动影响显著,优化后出炮口时刻弹丸质心位移、角位移和角速度均明显减小,该结果对迫击炮弹丸与身管的匹配设计具有一定参考价值。     

某车载炮上架刚度对弹丸起始扰动的影响

建立了某大口径车载炮弹炮耦合全炮动力学有限元模型,考虑了带膛线身管与弹丸的接触碰撞,通过数值计算得到了上架刚度对弹丸起始扰动的关系。分析结果表明,上架刚度与弹丸起始扰动并非单一的线性关系,且并非上架刚度越大对弹丸起始扰动越有利。     

弹管横向碰撞对身管动力响应的影响

研究了火炮射击过程中弹管间隙和加速移动质量对身管振动的影响,利用接触、碰撞模型描述了弹丸与身管之间的作用过程,把身管简化成等截面悬臂梁,根据Bernouli-Euler初等梁理论建立了身管振动方程,用模态分析法求解了身管振动方程.计算结果表明:考虑弹管间隙后身管振动幅度比不考虑间隙时要大得多,由于非线性方程的解对初始条件敏感,弹丸起始位置的变化对身管炮口位移的影响较大.所建模型基本上描述了系统的动态特性,为研究弹炮耦合问题提供了一种简捷、有效的方法.     

膛内时期弹丸与身管碰撞过程分析

弹丸与身管碰撞是影响弹丸膛内动力响应的主要因素之一。基于建立的弹丸身管耦合非线性动力学模型,分析了膛内运动时期弹丸前定心部与身管的碰撞过程,包括碰撞力大小和碰撞状态,并分别研究了身管有无弯曲、弹丸质量偏心等因素对碰撞过程的影响。结果表明:将弹丸简化为刚体来研究弹炮耦合过程存在局限性;身管弯曲和弹丸质量偏心均使碰撞力增大,其中身管弯曲相对于无弯曲使碰撞-弹回运动次数增加,弹丸质量偏心使贴膛运动时间延长。分析结果加深了对弹丸身管碰撞物理过程的认识,可为进一步深入研究弹丸膛内运动提供理论指导。     

射击过程中身管温度升高对射击准确度的影响

针对某国产小口径步枪热枪准确度下降的问题,通过建立弹丸与身管仿真计算模型,采用非线性热力学有限元方法计算弹丸挤进阻力、身管弯曲量,仿真计算得到冷枪和热枪的偏差,得出身管温度升高导致弹丸挤进过程与枪管弯曲量发生改变,从而影响弹丸出膛口的姿态,导致步枪射击准确度下降。采用实验测量、仿真、理论分析的方法研究某小口径步枪身管材料温度与弹着点偏差的关系,对提高步枪射击准确度具有重要意义。     

线膛炮身管内表面光整加工的方案研究

火炮身管珩磨中存在着阴线表面及阳线棱边加工不到的问题,在对火炮射击精度要求越来越高的今天,采用新方法对火炮身管进行精密加工变得越来越迫切。通过分析身管内表面对射击过程的影响后,提出了3种精密加工的方法,分别是强制螺旋流法、高压水射环流法、磁流变液法。设计了相应的实施机构,并分析了加工的原理、材料去除的机理。这些具体的实施身管内表面光整加工的方案可为火炮制造提供参考。     

弹丸与身管耦合振动问题的迭代解法

为实现弹丸与身管耦合振动模型的快速准确数值计算,提出了弹丸与身管耦合振动问题的迭代求解方法。在分析弹丸与身管耦合振动动力学特性基础上,通过将弹丸在身管内运动时间离散化,实现了耦合振动连续过程离散化。基于微分方程理论,利用迭代计算方法对弹丸在身管内运动时对身管上各个点引起的耦合振动进行求解,进而求解出弹丸连续移动时对身管引起的耦合振动。在考虑弹丸惯性效应和梁的曲率变化条件下,构建了迭代解法的程式化流程,使得该方法更加易于实现数值计算。利用该方法对弹丸与身管耦合振动模型进行数值求解,结果表明该解法能快速有效地实现对弹丸与身管耦合振动问题的求解。     

线膛身管建模方案及弹炮耦合问题研究

为解决线膛身管有限元建模依赖专业软件Hypermesh 的问题,提出基于ABAQUS 和Matlab 软件的联合 建模方案,研究具有初始挠度线膛身管有限元建模流程。基于Von Misses 屈服准则和Johnson-cook 强化模型,建立 考虑弹带弹塑性和身管初始挠度的弹炮耦合模型,分析弹丸在膛内的运动规律。结果表明：考虑身管自重弯曲后, 弹炮耦合作用加剧,身管弯曲对弹丸横向和纵向运动均有明显影响。     

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。     

弹丸挤进过程的有限元模拟与分析

本文针对依靠观察和实验难以解决的弹丸在枪管挤进过程中带有过盈摩擦大变形接触的难题,建立了弹丸挤进枪管的有限元分析模型,运用动态显式算法以及网格自适应技术,通过数值模拟研究了铅芯弹丸的挤进过程,展示了弹丸上膛线压痕的形成过程和材料的流动情况,分析了挤进前后弹头壳和铅芯的变形特征,以及挤进结束后弹丸的残余应力,从而为改进射...     

基于异常压力场的火炮身管断裂失效再现数值模拟

针对某坦克炮实弹射击出现身管断裂失效的情况,采用问题再现、原因分析、计算分析和效果验证等研究方法,利用LS-DYNA程序流固耦合算法,以等量TNT爆轰产生的高压气体流场近似代替实际火药气体作用,采用基于显式积分的拉格朗日-欧拉耦合算法解决流体与固体的耦合,建立了高压气体与身管之间相互作用的数值模拟,解决了流体形变引起的计算困难问题。引入Johnson-Cook塑性模型以及断裂失效模型描述身管材料动力学响应,在预置初始裂纹的情况下对身管在异常内压下的动力学响应进行了数值计算及分析。数值模拟结果较好地描述了身管材料在异常压力作用下的断裂失效机理,再现了身管发生撕裂损伤破坏的过程,为火炮使用安全性以及故障分析提供了参考。     

内膛损伤枪管对内弹道性能和弹头出膛状态的影响研究

为研究大口径机枪内弹道性能和弹头出膛状态受内膛损伤的影响规律,探究内膛损伤导致枪管寿终的关键因素,对某12.7 mm重机枪进行了系统的寿命试验。分析获得了该枪枪管内膛损伤的主要形式及其随射弹数增加在枪管轴向的分布及演化规律,在此基础上建立了精确的不同寿命阶段内膛损伤枪管的弹-枪热力耦合有限元模型。采用Fortran子程序实现了内弹道过程与显式有限元方法的迭代数值求解,获得了12.7 mm弹头内弹道性能及出膛状态等随内膛损伤发展的变化规律,将数值模拟结果与寿命试验数据进行对比验证了弹-枪耦合模型的准确性。仿真结果表明:弹头出膛时的扰动量、转速的下降量以及表面形貌的改变量等随枪管射弹数增加而增加,在身管寿命后期表现尤为明显;弹头出膛状态的改变是导致该枪枪管寿终的主要原因。研究结果对进一步分析内膛损伤引起的弹头外弹道性能退化行为,实现从内到外完整地分析枪管寿终机理具有重要意义。     

某炮弹立靶密度集度的影响因素分析

从发射动力学的角度,分析了影响某炮弹立靶密集度的因素.火炮种类、火炮状态、身管温度、地面种类、轮胎气压等试验条件变化会改变发射系统振动特性,射击过程中身管温度升高会导致身管指向变化,拔弹力和弹药保温、搬运、装填等试验操作会影响到弹丸在膛内的运动.这些都是影响弹丸起始扰动的因素.试验结果表明,试验条件、弹药准备以及人员操作等规范后,该炮弹立靶密集度得到了大幅提高.     

12.7 mm机枪枪管损伤演变规律及其与椭圆弹孔关系

为探明12.7 mm大口径机枪枪管损伤演变规律及其对椭圆弹孔的影响,开展了寿命射击试验研究.采用光学显微镜、扫描电子显微镜、内窥镜和口径量规对枪管进行观察和测量,得到枪管内膛在寿命周期内的损伤规律.结果表明:12.7 mm机枪枪管损伤存在3个典型区域,分别是线膛起始部位、高膛压区部位、枪管口部;这3个区域损伤速率和方式...     

某大口径机枪内膛损伤对弹头挤进过程的影响研究

为研究大口径机枪枪管寿命过程中内膛损伤对弹头动态挤进过程的影响,分析影响枪管寿命的关键因素,在进行大量射击试验获得枪管内膛损伤发展规律基础上,建立了不同寿命阶段含内膛损伤枪管的精确有限元模型。采用Fortran子程序的方式实现了内弹道过程与显式有限元方法的迭代数值求解,获得了弹头挤进过程中表面形貌及运动姿态随内膛损伤发展的变化数据。对比数值模拟结果与试验数据验证了弹-枪耦合模型的准确性。仿真结果表明：内膛损伤导致的弹头挤进过程中,质心偏移量和弹头摆动角的增加、表面形貌及气动力参数的改变,以及由于导转侧损伤较严重引起的弹头所受导转力和转速下降等3个因素是导致弹头外弹道飞行稳定性降低及枪管寿终的主要原因。研究结果为进一步研究枪管寿终机理,提高枪管寿命具有一定的参考意义。     

两种中口径弹药弹带动态挤进阻力特性的实验研究

针对弹丸挤进过程中弹带在坡膛产生高应变率塑性变形及断裂问题,采用短管炮发射装置完成了两种不同弹带动态挤进过程的阻力特性实验。采用动态压力测量和高速录像系统进行了挤进过程中膛内火药燃气的压力和弹丸位移数据的测量。对膛内压力和位移数据进行计算,得到了弹带挤进变形期间的阻力特性曲线。研究结果表明,弹带材料和结构对挤进阻力的影响较为明显,紫铜弹带相对于尼龙弹带有较高的挤进启动压力和最大阻力值,相应的挤进时间较短。     

内膛损伤枪管膛口扰动参数研究

为分析枪管内膛损伤导致射击精度下降、椭圆弹孔率上升进而导致枪管寿终的问题,基于系统的某12.7 mm机枪枪管寿命试验,建立无损伤枪管、寿命中前期枪管、寿命中期枪管及寿终枪管4个寿命阶段枪管内弹道过程的弹枪热力耦合模型。采用均匀设计方法安排弹药随机因素影响下的弹头内弹道过程仿真实验,获得不同内膛损伤程度的枪管膛口扰动状态随弹药参数变化的响应值,仿真计算结果与试验数据吻合较好。利用基于3次B样 条曲线的偏最小二乘回归建模方法对传统均匀设计响应面法进行改进,获得以弹药参数为自变量的弹头膛口扰动响应面方程及枪管在不同寿命阶段时弹药随机因素对弹头出膛时初始扰动状态的影响规律。仿真实验及数据分析结果表明：各弹药参数对不同寿命阶段的枪管膛口扰动量贡献度均不相同;为降低寿命末期枪管的弹头膛口扰动,应尽量减少弹头的质量偏心,在合理范围内适当减少弹头壳初始屈服应力,并取适中的弹头壳圆柱部直径和装药量。     

热身管下小口径枪弹弹头壳材料对其膛内运动的影响规律

针对95-1式自动步枪多发射击过程中枪管温度过高、射弹散布变大的现象,以5.8 mm枪弹为研究对象,开展热身管下不同弹头壳材料对其膛内运动的影响规律研究,并通过射击试验进行验证。基于传热学基本原理,借助有限元手段建立多物理场耦合下弹头膛内运动模型。研究结果表明：常温时铜弹头壳弹头膛内摆角小于覆铜钢弹头壳弹头,增幅随身管温度升高明显;相同膛压条件下,铜弹头壳弹头出膛口速度低于覆铜钢弹头壳弹头,在射击30发和60发后,铜弹头壳弹头出膛口速度随着身管温度升高分别减小2.2 m/s、1.8 m/s,膛内运动时间增加2.6μs、4.7μs,覆铜钢弹头壳弹头出膛口速度分别降低0.7 m/s和增大1.4 m/s,膛内运动时间减小1.7μs、0.8μs;所得研究成果可为轻武器弹药设计提供理论参考。