本發(fā)明屬于武器研制和保障領(lǐng)域，具體涉及一種基于第四強(qiáng)度理論的槍炮單筒身管設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

單筒身管是目前槍炮使用較為廣泛的身管，長(zhǎng)期以來(lái)基于前蘇聯(lián)的影響，我國(guó)單筒身管設(shè)計(jì)均采用第二強(qiáng)度理論，且設(shè)計(jì)方法比較成熟。

但是目前各國(guó)槍炮單筒身管設(shè)計(jì)并非都采用第二強(qiáng)度理論，譬如歐洲國(guó)家多采用第三強(qiáng)度理論，美國(guó)多采用第四強(qiáng)度理論。

但是由于各國(guó)發(fā)射藥、炮鋼材料、相關(guān)計(jì)算公式中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等的差異，其他國(guó)家采用第三強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)單筒身管的方法不一定適合我國(guó)，突出的問(wèn)題反映在安全系數(shù)的選取上。

為了加強(qiáng)在槍炮身管設(shè)計(jì)上的國(guó)際交流，尋找適合我國(guó)國(guó)情的基于第四強(qiáng)度理論的槍炮單筒身管設(shè)計(jì)方法十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出適合我國(guó)國(guó)情的基于第四強(qiáng)度理論的槍炮單筒身管設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的原理為：基于目前國(guó)內(nèi)成熟的基于第二強(qiáng)度理論的單筒身管設(shè)計(jì)方法，通過(guò)選用合適的安全系數(shù)，使得采用第四強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)出來(lái)的單筒身管和采用第二強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)出的單筒身管基本一致或者更為安全。

基于第四強(qiáng)度理論的單筒身管設(shè)計(jì)步驟基本一致：首先確定槍炮在各種條件下射擊時(shí)各截面承受的最大壓強(qiáng)曲線，即高低溫壓力曲線，高低溫壓力曲線乘上安全系數(shù)得到理論強(qiáng)度曲線，選取合適的身管材料后借助彈性強(qiáng)度極限公式由理論強(qiáng)度曲線可以計(jì)算出身管的理論外形，最后考慮身管與其他部件的連接、配合等對(duì)理論外形進(jìn)行調(diào)整得到身管實(shí)際外形。不同之處在于安全系數(shù)選取不同，采用的彈性強(qiáng)度極限公式不同。

兩種方法設(shè)計(jì)步驟基本一致，一方面為了選取符合我國(guó)國(guó)情的安全系數(shù)(考慮我國(guó)發(fā)射藥、炮鋼材料、相關(guān)計(jì)算公式中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等因素)，另一方面也便于該方法在我國(guó)推廣使用。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于第四強(qiáng)度理論的槍炮單筒身管設(shè)計(jì)方法，其包括如下步驟：

(一)計(jì)算槍炮身管高低溫壓力曲線；

(二)計(jì)算身管理論強(qiáng)度曲線；

(三)采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算身管理論外形；

(四)身管外形調(diào)整。

進(jìn)一步的，所述步驟(一)包括如下步驟：

(1)獲取膛壓曲線；

(2)計(jì)算特征點(diǎn)；

(3)計(jì)算之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(4)計(jì)算之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(5)連接相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中，在最強(qiáng)裝藥號(hào)和新炮(藥室增長(zhǎng)量為0)的前提下，通過(guò)求解內(nèi)彈道方程組或者試驗(yàn)測(cè)試，得到對(duì)應(yīng)-40℃和±50℃的兩條膛壓曲線，并得到-40℃對(duì)應(yīng)膛壓曲線的特征參數(shù)以及+50℃對(duì)應(yīng)膛壓曲線的特征參數(shù)

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中：

考慮藥室部分的長(zhǎng)度lys，由用式(a)計(jì)算

l＝l+lys(a)

式(a)中，lys-身管藥室長(zhǎng)度；

由用式(b)計(jì)算由用式(c)計(jì)算

式(b)和(c)中，mω-發(fā)射藥質(zhì)量，mq-彈丸質(zhì)量，-只考慮彈丸摩擦和旋轉(zhuǎn)的次要功計(jì)算系數(shù)，火炮取1.02，槍械取1.10；

如此得到5個(gè)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)：

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中：通過(guò)-30℃、-10℃、0℃、10℃、30℃的膛壓曲線，則可以得到參數(shù)點(diǎn)…，用式(a)和式(c)可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的即構(gòu)成了之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中：

借助內(nèi)彈道表來(lái)求取。由式(d)計(jì)算出裝填密度δ，由式(e)計(jì)算出和對(duì)應(yīng)的彈丸相對(duì)行程和

式(d)中，w0-藥室容積；

式(e)中，s-身管橫截面積；

由δ和查內(nèi)彈道表得到系列數(shù)據(jù)點(diǎn)用式(e)、式(a)和式(c)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的即構(gòu)成了之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述步驟(4)中，由-40℃下的膛壓曲線，可獲取之間的數(shù)個(gè)膛壓點(diǎn)數(shù)據(jù)：同樣，借助式(a)和式(c)可以計(jì)算出需要的之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)

進(jìn)一步的，所述步驟(5)中，將和之間數(shù)據(jù)點(diǎn)以及之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接起來(lái)即得到身管高低溫壓力曲線。

進(jìn)一步的，所述步驟(二)為：將每組數(shù)據(jù)點(diǎn)的壓強(qiáng)p1乘以其所在位置對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)n，得到一系列pl；各截面的pl連接起來(lái)即得到身管理論強(qiáng)度曲線；

所述安全系數(shù)n通過(guò)如下方法確定：將火炮身管分為4段：藥室部為0～lys、膛線起始部為lys～lm+1.5d、膛線中段為lm+1.5d～lg-2d、炮口部為lg-2d～lg；所述藥室部的安全系數(shù)取0.86；所述膛線起始部的安全系數(shù)取0.92或1.0，其中，淺膛線取0.92，深膛線取1.0；所述炮口部的安全系數(shù)取1.75或1.55，其中，牽引火炮取1.75，自行火炮取1.55；所述膛線中段的安全系數(shù)取臨近兩端安全系數(shù)的線性插值。

進(jìn)一步的，所述步驟(三)為：根據(jù)身管理論強(qiáng)度曲線中的最大壓強(qiáng)，選取合適的炮鋼類型，確定材料比例極限σp；通過(guò)高低溫壓力曲線數(shù)據(jù)計(jì)算身管各截面的pl；

采用第四強(qiáng)度理論時(shí)，按照式(f)計(jì)算身管各截面理論外半徑r2；各截面的r2連接起來(lái)即得到身管理論外形：

式(f)中，r1-身管某截面內(nèi)半徑，r2-身管某截面理論外半徑。

進(jìn)一步的，所述步驟(四)為：考慮身管與炮尾、搖架、炮口裝置的連接與配合等對(duì)身管理論外形進(jìn)行調(diào)整，各截面r2s連接起來(lái)即得到身管實(shí)際外形。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明拓展了我國(guó)槍炮單筒身管設(shè)計(jì)的方法，有利于我國(guó)與世界各國(guó)在槍炮單筒身管設(shè)計(jì)方面的交流。本發(fā)明可用于院校、科研所和武器生產(chǎn)廠的槍炮單筒身管研制。

附圖說(shuō)明

圖1為身管膛壓曲線。

圖2為身管高低溫壓力曲線。

圖3為身管安全系數(shù)曲線。

圖4為理論強(qiáng)度曲線。

圖5為身管理論外形和實(shí)際外形曲線。

圖1中，l-彈丸相對(duì)身管行程，p-彈后空間平均壓強(qiáng)，

p0、pm、pk、pg-對(duì)應(yīng)彈丸啟動(dòng)時(shí)、膛壓最大時(shí)、發(fā)射藥燃燒完畢時(shí)、彈丸出炮口時(shí)膛內(nèi)平均壓強(qiáng)，lm、lk、lg-對(duì)應(yīng)膛壓最大時(shí)、發(fā)射藥燃燒完畢時(shí)、彈丸出炮口時(shí)的彈丸相對(duì)身管行程。

圖2中，l-身管距離膛底長(zhǎng)度，p1-身管各截面承受最大壓強(qiáng)，d-火炮口徑，

lg-身管長(zhǎng)度，-x℃時(shí)彈后膛壓達(dá)到最大時(shí)彈丸底部距離膛底距離，

-x℃時(shí)發(fā)射藥燃燒結(jié)束瞬間彈丸底部距離膛底距離，

-x℃時(shí)彈后膛壓達(dá)到最大時(shí)膛底壓強(qiáng)，-x℃時(shí)彈后膛壓達(dá)到最大時(shí)彈底壓強(qiáng)，-x℃時(shí)彈丸出炮口瞬間彈底壓強(qiáng)。

圖3中，n-安全系數(shù)。

圖4中，1-高低溫壓力曲線，2-理論強(qiáng)度曲線。

圖5中，r-身管半徑，3-身管內(nèi)半徑曲線，4-身管理論外形，5-身管實(shí)際外形。

具體實(shí)施方式

槍炮單筒身管設(shè)計(jì)是在槍炮內(nèi)彈道設(shè)計(jì)和計(jì)算完成后進(jìn)行的。也就是說(shuō)，是在身管的膛壓曲線已知，身管內(nèi)膛結(jié)構(gòu)尺寸已知情況下，設(shè)計(jì)身管的壁厚，得到身管的實(shí)際外形。

一、計(jì)算槍炮身管高低溫壓力曲線。

高低溫壓力曲線如圖2所示，曲線由兩段直線和兩段曲線組成，獲取直線段端點(diǎn)數(shù)據(jù)和曲線段上數(shù)個(gè)點(diǎn)(4個(gè)以上)數(shù)據(jù)，即可得到該曲線。

兩段直線指到的直線段和到的直線段；兩段曲線指之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)和之間數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的曲線段。兩個(gè)直線段和兩個(gè)曲線段共同組成高低溫壓力曲線。

1、膛壓曲線

在最強(qiáng)裝藥號(hào)(國(guó)內(nèi)為0號(hào)裝藥)、新炮(身管內(nèi)膛沒(méi)有磨損，藥室增長(zhǎng)量為0)前提下，通過(guò)求解內(nèi)彈道方程組或者試驗(yàn)測(cè)試，得到對(duì)應(yīng)-40℃和+50℃的兩條膛壓曲線(如圖1所示)。膛壓曲線是由一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的，格式如表1所示。-40℃對(duì)應(yīng)膛壓曲線的特征參數(shù)包括+50℃對(duì)應(yīng)膛壓曲線的特征參數(shù)包括由于火炮身管長(zhǎng)度是確定的，彈丸出炮口時(shí)相對(duì)身管的位移也是確定的，故-40℃和+50℃兩條膛壓曲線的lg是一致的。這里要指出的是，-40℃～+50℃是我國(guó)槍炮的使用溫度范圍。

內(nèi)彈道方程組如式(g)所示。計(jì)算時(shí)要用到具體火炮的參數(shù)。

式(g)中，ψ-火藥燃去百分?jǐn)?shù)，z-火藥燃去相對(duì)厚度，t-時(shí)間，λ，μ-藥粒的形狀特征量，u1-燃燒速度系數(shù)，e1-藥粒初始厚度的一半，p-膛內(nèi)火藥氣體平均壓強(qiáng)，ik-壓力全沖量，n-燃燒速度指數(shù)，s-炮膛橫截面積，-次要功計(jì)算系數(shù)，mq-彈丸質(zhì)量，v-彈丸速度，l-彈丸行程，lψ-藥室自由容積縮徑長(zhǎng)，f-火藥力，mω-裝藥質(zhì)量，k-比熱比。

表1膛壓曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)

2、計(jì)算特征點(diǎn)

考慮藥室部分的長(zhǎng)度lys，由用式(1)計(jì)算

l＝l+lys(a)

如，

由用式(b)計(jì)算由用式(c)計(jì)算

式(b)和(c)中，mω-發(fā)射藥質(zhì)量，mq-彈丸質(zhì)量，-只考慮彈丸摩擦和旋轉(zhuǎn)的次要功計(jì)算系數(shù)，火炮取1.02，槍械取1.10。

式(c)的使用如，

如此得到5個(gè)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)：

3、計(jì)算之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)

如果能獲取-40℃～+50℃之間數(shù)個(gè)溫度下(如-30℃、-10℃、0℃、10℃、30℃)膛壓曲線，則可以得到參數(shù)點(diǎn)用式(a)和式(c)可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的…即構(gòu)成了之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

得不到上述膛壓曲線的話，要借助內(nèi)彈道表來(lái)求取上述參數(shù)。由式(d)計(jì)算出裝填密度δ，由式(e)計(jì)算出和對(duì)應(yīng)的彈丸相對(duì)行程和

式(d)中，w0-藥室容積。

式(e)中，s-身管橫截面積。式(e)的應(yīng)用如，

由δ和查內(nèi)彈道表得到系列數(shù)據(jù)點(diǎn)如表2所示。用式(e)、式(a)和式(c)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的這些點(diǎn)也構(gòu)成了之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

表2內(nèi)彈道表查數(shù)據(jù)

4、計(jì)算之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)

由-40℃下的膛壓曲線，可獲取之間的數(shù)個(gè)膛壓點(diǎn)數(shù)據(jù)：(如圖1和表1所示)，同樣，借助式(a)和式(c)可以計(jì)算出需要的之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)

5、連接相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)

依照?qǐng)D2，將和之間數(shù)據(jù)點(diǎn)以及之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接起來(lái)即得到身管高低溫壓力曲線。它是設(shè)計(jì)身管壁厚的基礎(chǔ)。高低溫壓力曲線數(shù)據(jù)如表3所示。

表3高低溫壓力曲線數(shù)據(jù)

二、計(jì)算身管理論強(qiáng)度曲線

考慮到理論計(jì)算與實(shí)際的差距，材料的不均勻等因素，設(shè)計(jì)身管壁厚需要引入安全系數(shù)n。采用第四強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)單筒身管時(shí)，如圖3選擇安全系數(shù)。0～lys為藥室部；lys～lm+1.5d為膛線起始部；lg-2d～lg為炮口部。藥室部安全系數(shù)取0.86；膛線起始部安全系數(shù)取0.92和1.0(淺膛線取0.92，深膛線取1.0)；炮口部安全系數(shù)取1.75和1.55(牽引火炮取1.75，自行火炮取1.55)；膛線起始部到炮口部之間安全系數(shù)取兩端安全系數(shù)的線性插值。深、淺膛線按照膛線深度t與火炮口徑d之間關(guān)系判定，t≤0.01d為淺膛線，t＞0.01d為深膛線。具體計(jì)算時(shí)，如表3所示，將每組數(shù)據(jù)點(diǎn)的壓強(qiáng)p1乘以其所在位置對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)n，得到一系列pl。各截面的pl連接起來(lái)即得到身管理論強(qiáng)度曲線，如圖4中曲線2所示。

三、計(jì)算身管理論外形

根據(jù)身管理論強(qiáng)度曲線中的最大壓強(qiáng)，從相關(guān)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)中選取合適的炮鋼類型(如p-685、p-835等)，確定材料比例極限σp。

設(shè)計(jì)單筒身管前，身管的內(nèi)膛結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，即圖5中曲線3是已知的，其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表4中前兩行所示。由于表4中給出的截面和表3中給出的截面不一致，設(shè)計(jì)身管以表4中各截面為準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)表3中數(shù)據(jù)線性插值，得到表4中身管各截面的pl。

采用第四強(qiáng)度理論時(shí)，按照式(f)計(jì)算身管各截面理論外半徑r2(見(jiàn)表4)。各截面的r2連接起來(lái)即得到身管理論外形，如圖5中曲線4所示。

表4身管各截面數(shù)據(jù)

式(f)中，r1-身管某截面內(nèi)半徑，r2-身管某截面理論外半徑。

四、身管外形調(diào)整

考慮身管與炮尾、搖架、炮口裝置的連接與配合等對(duì)身管理論外形進(jìn)行調(diào)整(如與筒形搖架配合需要身管外部設(shè)置一個(gè)圓柱面，與炮尾連接需要設(shè)置臺(tái)階面以加工螺紋)，最終將各截面理論外半徑r2調(diào)大為實(shí)際外半徑r2s(見(jiàn)表4)，各截面r2s連接起來(lái)即得到身管實(shí)際外形，如圖5中曲線5所示。

到此，單筒身管即設(shè)計(jì)完畢。

在槍炮內(nèi)膛結(jié)構(gòu)和承壓曲線(高低溫壓力曲線)確定情況下，利用本文的安全系數(shù)選取原則和第四強(qiáng)度理論計(jì)算公式，得到的身管理論外形與目前行業(yè)內(nèi)采用的安全系數(shù)原則和第二強(qiáng)度理論公式得到的身管理論外形基本一致。也就是說(shuō)，今后我國(guó)槍炮單筒身管設(shè)計(jì)，可以采用過(guò)去基于第二強(qiáng)度理論的方法，也可以采用本文提出的基于第四強(qiáng)度理論的方法，兩種方法設(shè)計(jì)出來(lái)的單筒身管是基本一致的。

以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，但并不限于此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易根據(jù)上述實(shí)施例領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的精神，并做出不同的引申和變化，但只要不脫離本發(fā)明的精神，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。