炮弹设计理论

1 绘制弹体零件图和半备弹丸图

据任务书所提供的弹体结构简图和尺寸，运用AutoCAD绘制杀爆弹弹体零件图和半备弹丸图（附图1），标出相关尺寸，以便于识图和计算。

(1)根据弹体结构简图，进行页面的布局设置；

(2)利用图层管理器创建图层，设定线型、线宽和颜色，如粗实线、细实线、中心线、剖面线、尺寸线等，并设定好不同的颜色以及不同的线型和线宽；

(3)利用标注样式管理器，创建尺寸标注样式。根据需要，创建标准标注、带尺寸公差标注、圆柱标注等。

2.在绘制过程中应注意几点：

(1) 应设置几处不同的图层，各图层设置的颜色和线型应不同，绘图时在同一类型的图形放在同一图层中，便于修改。

(2) 由于是用A4图纸打印,小于弹体实际尺寸,因此应加大字体和线宽，否则有可能显示不出来，或看不清图纸，给分析带来不便。

(3) 在标注过程中应该注意其字高的一致。（文字高度为7）

2 弹体发射强度计算与分析

2.1 膛内发射过程分析

弹丸在膛内运动时，受各种载荷的作用。由于这些载荷的作用，弹丸各零件都会发生不同程度的变形，当变形超过一定允许程度，就可能影响弹丸沿炮膛的正确运动，严重时会使弹丸在膛内受阻，或弹丸零件发生破裂，或炸药被引爆发生膛炸事故。

弹丸在膛内运动中，除了必须保证安全性外，还必须保证运动正确性，即有良好的运动姿态，这对弹丸的射击精度有重要意义。

2.2 弹体载荷分析与计算

发射时所受的载荷

(1)火药气体压力

(2)惯性力

(3)装填物压力

(4)弹带压力（弹带挤入膛线时引起的力）

(5)不均衡力（弹丸运动过程中由不均衡因素引起的力）

(6)导转侧力

(7)摩擦力

这些载荷，有的对发射强度起直接影响，有的主要影响膛内运动的正确性。其中火药气体压力为基本载荷。在火药气体压力作用下，弹丸在膛内产生运动，获得一定的加速度，并由此引起其他载荷。

2.2.1火药气体压力

火药气体压力是指炮弹发射中，发射药被点燃后，形成大量的气体。在炮膛内形成的气体压力称为“膛压”。

2.2.2惯性力

弹丸在膛内做加速运动时，整个弹丸各零件上均作用有轴向惯性力、径向惯性力与切向惯性力。

2.2.3 装填物压力

发射时，装填物本身也会产生惯性力，其中轴向惯性力使装填物下沉，因而产生轴向压缩径向膨胀的趋势；径向惯性力则直接使装填物产生径向膨胀，这两种作用均使装填物对弹壳产生压力。 2.2.4弹带压力

弹丸入膛过程中，弹带嵌入膛线，弹带赋予炮膛一个作用力；反之炮膛避对弹带也有一个反作用力，均称为弹带压力。 2.2.5 不均衡力

旋转式弹丸在膛内运动时，如果处于理想状况下，弹丸与膛壁之间除弹带压力外将不再有其他的作用力。但是实际上，由于下例不均衡因素的影响，弹丸与膛壁之间相互还有作用力存在。 2.2.6导转侧力

炮膛膛线的侧表面称为导转侧。发射时，弹丸嵌入膛线。由于膛线有缠度，导转侧表面对弹带凸起部分产生压力，此力称为导转侧力。 2.2.7 摩擦力

弹丸在膛内运动时所受的摩擦阻力分为两部分，一部分是弹带嵌入膛线后，在导转侧面和外圆柱都与炮膛紧密接触，从而产生摩擦力，其摩擦阻力F 为

0S fp fN F b +=（2.1）

式中b p ——弹带压力；

N ——导转侧力；

0S ——弹带与炮膛接触外圆柱部面积；

σ——弹带材料与炮膛材料摩擦系数。

第二部分是由于不均衡力使弹丸上定心部与弹带偏向一方，在某些位置上引起摩擦力。上述两种摩擦力，总的来说比其它载荷小得多，因而在弹丸设计中可不予考虑。

2.3 计算弹体及其零件在最大膛压时的强度

发射时弹体强度计算，实质上就是在求得弹体内各处应力的条件下，根据有关强度理论对弹体进行校核。弹丸在膛内应当校核第二临界状态（膛压最大）时的强度。 已知

弹丸质量33.4kg m = 计算压力346.5MPa p = 金属密度3g/cm 8.7=m ρ 金属泊松比3.0=μ 炸药密度3g/cm 59.1=w ρ 膛线缠度5.29=η（d ） 炮口初速=930m /s 0v 2.3.1 发射时弹体强度计算

在膛压最大时，弹体受到的膛内火药气体压力作用达到最大，加速度也达到最大，因而惯性力、装填物压力等均达到最大值。相比之下，弹带压力下降很多，故可将弹带压力略去。另外此时期弹丸的旋转角尚很小，在应力计算过程中可以略去由旋转产生应力。

此时期必须对整个弹体所有部位都进行强度校核，实际上是在整个弹体上找出最危险断面（应力最大断面），并对最危险断面进行强度校核。

常采用布林克法，将弹体简化成为无限长壁厚圆筒，并将弹体分成若干断面，计算每个断面内表面的三向主应力，用第二强度理论校核弹体内表面的强度。

对于旋转弹丸，如不计旋转的影响，其三向应力分别为

⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪

⎪⎪

⎪⎨⎧-+=-=--=2

2

222

22

22an bn an

bn c t wn an r n an bn z r r r r p m m r r p m m r r r p σσσ（2.2） 式中符号，正号表示拉伸，负号表示压缩。

最大危险断面可能发生在弹尾区，也可能发生在弹带槽处，（因为这些断面受力最大或处面积较小）。

1. 在弹体上取三个最危险断面，1-1断面在上定心部下沿、2-2断面下定心部下沿、3-3断面在下弹带槽下沿，如下图所示。

图2.1断面图

2.由图纸查出三个断面的内外半径，并用特征数计算方法分别计算出这三个断面以上弹体联系质量n m 和炸药的质量wn m ，数据如下表：

表2.1130mm 弹体断面

断面号cm /bn r cm /an r kg /n m kg /wn m

1-1断面6.5 3.5 13.616 1.444 2-2断面6.45 3.5 22.806 2.995 3-3断面6.1 3.5 26.792 2.623

3.计算各断面内表面处的应力 用公式

⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪

⎪⎪

⎪⎨⎧-+=-=--=2

2

222

22

22an bn an

bn c t wn an r n

an bn z r r r r p m m r r p m m r r r p σσσ）（3.2 4.通过内弹道计算得出最大膛压时刻，弹丸的速度为

300m/s 。