基于全膛烧蚀磨损特征的火炮内弹道仿真研究

为提高烧蚀火炮内弹道仿真精度,在文献\[1\]火炮烧蚀内弹道理论基础上,保持火药几何燃烧定律、火药燃速定律和体现起始部膛线烧蚀的弹丸起动压力方程不变,通过对变炮膛截面积、变药室容积、弹后烧蚀容积增量等全膛烧蚀磨损特征的分析和计算,建立体现全膛烧蚀的弹丸运动方程和内弹道基本方程,从而建立烧蚀磨损内弹道模型。借鉴经典内弹道诸元解算方法,导出烧蚀磨损内弹道模型解算方法。以某火炮试验数据为例进行仿真烧蚀磨损内弹道计算,仿真结果表明：初速仿真值与试验值误差为0.9%,能够满足火炮工程实践3%的仿真误差要求;仿真精度优于文献\[1\]的火炮烧蚀内弹道方法,证明了所建立的烧蚀磨损内弹道模型和诸元解算方法是正确的,可用于烧蚀磨损火炮身管寿命预测。     

弹丸卡膛规律影响因素分析

为了研究弹丸卡膛参数对弹丸膛内运动初始条件的影响,对中大口径火炮弹丸卡膛过程进行分析。利用显式动力学有限元数值模拟方法对新型155 mm火炮弹带惯性卡膛过程进行了分析研究,综合考虑不同的卡膛速度、摩擦系数、身管仰角、初始卡膛姿态角、弹炮间隙对卡膛深度、卡膛力以及卡膛姿态的影响,得到了各个因素对卡膛结果的影响规律,其中卡膛速度、摩擦系数对卡膛深度和卡膛力有较大影响,而身管仰角和初始卡膛姿态角对卡膛姿态起到了较大的作用,弹炮间隙则对3个卡膛结果都有明显的影响,这些结论为弹药装填机的设计和揭示弹丸膛内运动规律提供参数依据。     

身管内膛图像拼接系统的设计与实现

运用计算机图像拼接技术,提出一种将身管内膛局部表面照片快速无缝拼接的算法。相位相关算法是一种非线性、基于傅里叶变换功率谱的频域相关算法,该方法只取互功率谱中的相位信息,减少了对图像内容的依赖,所获得的相关峰尖锐突出,位移检测范围较大,有很高的匹配精度和很强的抗干扰能力。利用改进的相位相关图像拼接算法对获取的火炮内膛图像进行拼接,最后利用渐入渐出函数加权融合算法消除拼接缝,实现身管内膛图像拼接。实验结果表明,该系统可获得无缝、清晰和完整的火炮身管内膛图像,满足炮膛实时检测需要。     

高压气体发射装置内弹道特性及膛口流场分析

根据非定常可压缩流动的Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,基于计算流体力学分析软件,采用动网格技术,对弹丸在气室高压气体作用下的运动规律及其流场特性进行了仿真。主要研究了4种不同气室初始气压下膛内平均压力、弹底压力、气室底部压力、弹丸运动参数的变化规律,进一步分析了在气室初压为2.5 MPa下不同时刻马赫数等值线的变化规律。研究结果表明：膛内气流存在振荡现象,气室底部压力、弹底压力变化具有波动性;气室初始气压的大小影响气室底部压力、弹底压力振荡幅度及弹丸出炮口速度;弹丸在管内运动速度及运动时间随距离变化的关系均近似抛物线分布。     

空投缓冲气囊有限元模型修正方法

为了提高空投缓冲气囊有限元模拟的准确性,需要对气囊有限元模型进行修正。建立了载荷-气囊系统有限元模型,通过模型参数对气囊缓冲特性的灵敏程度分析,选择气囊与地面之间的摩擦系数和气囊排气口流量系数作为待修正参数,建立了摩擦系数、流量系数与冲击响应的响应面模型,对该响应面模型采用遗传算法进行迭代修正,求解出待修正参数的最优解。通过修正前后仿真结果与试验结果的对比验证了模型修正的有效性。     

基于位移传感器阵列的卡膛几何参数测量方法

大口径火炮弹丸装填不到位及卡膛姿态的一致性分别会对火炮内膛磨损及射击精度产生较大影响。针对某型火炮弹丸卡膛状态参数测量现状,提出一种适用于射击现场的基于位移传感器阵列的卡膛几何参数测量方法。介绍了卡膛几何参数测量原理及组成,分别建立了药室轴线测量模型、弹丸轴线测量模型及弹丸尾端面等测量模型,并对各测量模块的性能进行了分析与验证;在此基础上,利用该测量装置对射击现场弹丸卡膛状态下的几何参数进行实际测量,通过分析实验结果验证了该测试系统测量的稳定性与准确性。     

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。     

线膛炮身管内膛疵病图像膛线过渡区的处理

为解决线膛炮身管内膛中阴阳膛线的存在形成膛线过渡区,使得疵病图像灰度不连续,影响对疵病进行分析的问题,在分析图像特点的基础上,应用全局阈值分割和二值数学形态学移除小目标运算,实现了对图像膛线过渡区的准确分割;提出应用阴阳膛线区域图像灰度的均值填充过渡区图像。实验结果表明,应用所提方法处理后的图像灰度较为连续,有利于图像的分析。     

坡膛结构参数对枪械内弹道挤进时期的影响研究

枪械射击过程中枪管坡膛处工作环境恶劣,为了研究枪管坡膛角度对挤进过程坡膛处受力的影响,建立了不同坡膛角下考虑枪管及弹头结构特性、本构非线性等因素的三维有限元模型,分析了不同坡膛角对弹头挤进过程的影响,获得了不同坡膛角下挤进阻力随挤进位移的变化数据;建立了挤进阻力的响应面模型,基于上述数据采用Hermite多项式,求解获得了挤进阻力以坡膛角和挤进位移为变量的计算公式;提出建立了考虑挤进阻力的弹头挤进过程的动力学模型,编程计算了枪弹挤进过程中的挤进压力,获得了某大口径机枪满足弹头初速条件的坡膛角度取值范围为0.11°~1.13°,进而得到了缓减枪管坡膛受力、保证弹头最高初速、满足坡膛角设计范围的坡膛角度最优解为0.56°。     

“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。     

火炮修理后水弹试验内弹道设计方法研究

火炮修理后广泛采用水弹试验,以动态方式确定火炮的技术状态和检验火炮修理质量。新型火炮缺乏水弹试验内弹道设计方法,难以确定水弹试验装水质量等内弹道关键参数,制约部队开展水弹试验。基于修后火炮水弹试验原理与工程实践,建立火炮水弹试验内弹道学模型;提出了基于水弹试验与实弹射击时作用于火炮的炮膛合力全冲量相等原理的火炮水弹试验内弹道设计方法,为新型火炮修后水弹试验提供理论指导,也为火炮其他考核目的水弹试验提供参考。     

考虑管状药束轴向运动的大口径平衡炮二维内弹道模型的建立与仿真

传统的两相流内弹道模型将火药颗粒作拟流体假设,对于采用长管状药装药的大口径高速平衡炮来说误差较大。为解决这一问题,针对管状药模块化装填的某480 mm口径高速平衡炮提出在欧拉坐标系中考察火药气体的流动情况,在拉格朗日坐标系中追踪管状药束的运动规律;同时针对药束径向运动方程难以建立的问题,提出药束沿径向线性排布药束的思想,建立了考察管状药束沿轴向的运动规律并能够描述火药气体沿轴向和径向的流动情况的内弹道模型,编制程序进行了数值模拟。通过计算结果与试验结果的对比分析,证明了建立的模型有效,得到了火药气体在轴向和径向的压力分布以及药束模块的运动轨迹,为平衡炮内弹道性能的深入研究提供了新的思路。     

身管烧蚀及缓蚀剂作用机理研究现状

身管烧蚀磨损严重限制了火炮性能的提高和服役年限的延长。为延长身管寿命、发展高威力火炮,需增强火炮身管的抗烧蚀磨损能力。从热冲击、化学侵蚀、机械磨损三方面综述国内外身管烧蚀机理的研究现状,分析认为烧蚀磨损的发生与加剧主要归结于热－化学－机械复合作用。在此基础上梳理缓蚀剂技术抑制身管烧蚀磨损的机理,指出纳米材料在缓蚀剂研制中的意义,无机氧化物和含氮有机材料在发射环境下可对身管内壁形成保护。对缓蚀剂的设计作出展望,为新型缓蚀剂设计提供有益思考。     

火炮身管阳线损伤机理分析

某大口径火炮实弹射击中,身管阳线起始段出现双侧棱边断裂损伤,为揭示阳线损伤故障原因,进而采取措施避免损伤复发,基于动态非线性有限元方法,建立了弹丸身管耦合系统非线性有限元分析模型,综合考虑了弹丸装填不到位、初始装填角、非均匀摩擦、弹炮间隙多因素对弹丸身管耦合系统动力响应的影响。在此基础上,研究了弹丸装填不到位造成的冲击加载对身管材料动态性能的效应。结果表明,弹丸挤进过程在阳线起始段引起的等效应力已接近身管材料动态屈服极限,同时,弹丸装填不到位使弹带与身管撞击力提高约3.7倍、身管材料动态断裂韧性降低35.6%,最终导致阳线起始段局部双侧棱边的断裂损伤。验证试验复现了阳线损伤现象,确认了阳线损伤机理理论分析的正确性。     

基于优化的非等间隔灰色理论和BP神经网络的身管磨损量预测

针对火炮身管烧蚀磨损量预测中存在的数据采样时间间隔不均匀、采样难度大、成本高、数据量小,常规数据拟合和预测方法难以处理等问题,提出一种基于改进的非等间隔灰色理论和BP神经网络的组合预测方法。通过组合预测模型对某型火炮身管的烧蚀磨损量进行预测,实例分析表明该组合预测模型具有较高的预测精度,为身管内膛磨损量的预测提供了一种新的技术途径。     

大口径火炮膛线结构对滑动弹带弹丸膛内运动影响的数值分析

以大口径身管火炮发射减旋滑动弹带制导弹药时弹丸-身管耦合系统为研究对象,基于弹塑性有限元理论,建立某大口径火炮线膛身管与制导炮弹耦合动力学有限元模型。数值计算了渐速膛线、等齐膛线、混合膛线（渐速膛线+等齐膛线）3种不同膛线形式和深、浅两种膛线深度条件下,制导炮弹在挤进阶段和膛内运动过程中的弹炮应力、挤进阻力以及弹炮动力学响应,获得了大口径火炮膛线结构对滑动弹带制导弹丸膛内运动的影响关系,为弹炮一体化设计提供了理论参考。     

基于铬层与基体结合部疲劳损伤的转管机枪身管寿命预测研究

为预测身管寿命,采用热-固耦合场理论、冲击疲劳理论和疲劳累积损伤理论,提出基于身管铬层与基体结合部疲劳损伤的身管寿命预测方法。以3管转管机枪的身管寿命为例,建立有限元模型,计算铬层与基体结合面的耦合应力,预测身管寿命,理论计算与试验结果进行了对比,数据基本吻合;分析身管镀铬层厚度对身管寿命的影响。研究结果表明：铬层与基体结合部的疲劳损伤寿命基本决定了身管的寿命,证明所提寿命预测方法是可行的;适当增加镀铬层厚度,可以提高身管寿命。     

延寿修复材料在身管武器上的应用研究

为了研究延寿修复材料对武器身管的修复延寿效果,开展了延寿修复材料的应用研究。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱仪、烧蚀试验机、摩擦磨损试验机等对延寿修复材料的形貌、相结构、烧蚀性能、腐蚀性能、摩擦磨损性能进行了表征;并利用某型枪、某型滑膛炮进行了实弹射击试验。研究结果表明：修复后,在金属表面附着一层涂层材料,枪管及炮管表面的凹坑、裂纹逐渐被填补,表面渐趋光滑;修复材料使用后能够明显降低枪管温升,且不会对枪的精度产生影响;对于中小口径火炮,修复材料可在一定范围内增大弹丸初速,减小膛径磨损量。     

锥膛炮内弹道建模与仿真计算

为了解决锥膛炮内弹道的建模仿真问题,在经典内弹道理论基础上引入了有限元分析方法和修正次要功系数方法。根据锥膛炮炮膛和弹丸的结构特点,将锥膛炮的内弹道过程分为第一直膛时期、锥膛时期和第二直膛时期。在运用LS-DYNA软件对锥膛时期弹丸裙环变形进行有限元分析的同时,结合MATLAB软件对其内弹道进行了建模仿真,得出了该锥膛炮内弹道时期膛压—时间曲线、速度—时间曲线。通过与全直膛炮的内弹道计算结果和试验结果比较,证明了所给方法的可行性。     

某火炮自动机高速机构的热-结构耦合效应仿真分析

针对某高射速自动机在样机实弹射击时出现的周期性停射故障,应用热膨胀经典理论和有限元计算方法,对高射速自动机进行了热-结构耦合分析。结果表明：将结构尺寸作适当的调整,不仅能满足现阶段射速的要求,而且有进一步提高射速的空间。结构设计方案改进后的验证样机,经多轮实弹试验测试,没有出现周期性停射现象,故障得到解决。将热-结构耦合方法应用于工程实践,以期在解决类似故障和结构设计的分析方法上有所借鉴。