枪炮身管设计压力曲线简化研究
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火炮2身管为特殊的3段身管设计压力曲线，两种方法计算出的身管设计压力曲线对比如图7所示。两者差别最大处仅相差7.5%。该火炮身管内半径曲线、实际外形，以及按照传统方法和简化方法计算出的理论外形如图8所示。由于在炮口一端，身管实际外形以及两种方法得到的身管理论外形非常接近，进一步将部分区域放大（ 如 图 9）后可以看出，两种方法得到的身管理论外形仍然相差不大，差别最大处仅相差1.8%。但是由于该炮在炮口端一段身管长度上实际外形相对理论外形的调整幅度很小，故采用文中提出的身管设计压力曲线简化方法设计出来的身管实际外形，相对传统方法在炮口端一段身管长度上会略大一些，但是相差很小。身管外形略大一些，身管使用更偏于安全。
特殊情况下，当Lg＜时，身管设计压力曲线只有3段，如图2所示。仍然以曲线段至少包括5个数据点（包含端点）来计算，确定身管设计压力曲线至少要计算5条不同温度下膛压曲线，并从中处理出至少7个数据点。
计算各温度下膛压曲线时通常要求解内弹道方程组，如式（1）所示。并进行平均压强p、膛底压强pt和弹底压强pd之间的转换，如式（2）和式 （3）所示。公式中符号含义详见参考文献[4]～[6]。
[5] 张小兵.枪炮内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2014.
[6] 张喜发,卢兴华.火炮烧蚀内弹道学[M].北京:国防工业出版社,2001.
[7] 陆宁.基于MATLAB语言即学即会[M].北京:机械工业出版社,2000.
[8] 薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2019(000)004
【总页数】3页(P32-34)
【关键词】枪炮身管;设计压力曲线;简化
【作 者】杜中华;刘海平;吴大林
【作者单位】陆军工程大学 石家庄校区,石家庄 050003;陆军工程大学 石家庄校区,石家庄 050003;陆军工程大学 石家庄校区,石家庄 050003
图3 简化的身管设计压力曲线
图4 简化的3段身管设计压力曲线
3 典型火炮数值仿真实例
为了检验身管设计压力曲线简化方法的可行性，以两种典型火炮为例，通过Matlab编程进行数值仿真计算[7-8]。
火炮1身管为通常的4段身管设计压力曲线，按照传统方法和简化方法计算出的身管设计压力曲线对比如图5所示，可以看出两者十分接近，差别最大处仅相差5.8%。该火炮身管内半径曲线、实际外形，以及按照传统方法和简化方法计算出的理论外形如图6所示。可以看出两种方法计算出的身管理论外形十分接近，差别最大处仅相差1%。按照实际外形对理论外形的调整力度，可以说，采用文中提出的身管设计压力曲线简化方法设计出来的身管实际外形与传统方法是完全没有差别壁厚的重要依据，传统计算方法需要计算多条膛压曲线，并处理多个数据点。文中在实际应用中基于“以直代曲”思想，提出了简化计算方法，使计算工作量减小一半以上，同时仍然具有足够的计算精度。2种典型火炮的数值仿真结果证明了该简化方法的有效性。
传统身管设计压力曲线确定方法着重考虑了低温-40℃到高温+50℃之间的药温变化，称之为高低温压力法。文中提出的简化方法则可称之为“折线法”或者“五点法”，该方法可以为枪炮身管快速设计提供参考。
2 身管设计压力曲线简化方法
对于一般的4段式身管压力曲线，其简化方法为：将图1中后2段曲线简化为2段直线，如图3所示。需要计算-40℃和+50℃下2条膛压曲线，处理5个数据点即可。对于特殊的3段式设计压力曲线，其简化方法为：将图2的第3段曲线简化为2段直线，如图4所示。需要计算3个温度下的膛压曲线，处理5个数据点即可。可以看出，简化方案的核心思想是“以直代曲”，计算工作量大大减少。
[参 考 文 献]
【相关文献】
[1] 张相炎,郑建国,袁人枢.火炮设计理论[M].北京:北京理工大学出版社,2014.
[2] 曾志银,张军岭,吴兴波.火炮身管强度设计理论[M].北京:国防工业出版社,2004.
[3] 潘玉田.炮身设计[M].北京:兵器工业出版社,2007.
[4] 钱林方.火炮弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2009.
目前枪炮设计中确定身管设计压力曲线的方法主要是高低温压力法，该方法考虑了身管内弹丸后方火药气体压力分布的不均匀性以及装药温度对膛压曲线的影响，计算较为复杂。要得到一种枪炮的身管设计压力曲线至少要计算5条不同温度的膛压曲线，并对10余个数据点进行处理[1-3]。文中在实际工作中提出了一种简化方法，只需要计算2～3条膛压曲线，并对4～5个数据点进行处理，即可得到身管设计压力曲线。计算工作量减少一半以上，同时具有足够的精度。
【正文语种】中 文
【中图分类】TJ302
0 引言
枪炮身管在射击时要承受高温高压的火药气体，因此必须合理确定身管各截面的壁厚，使得身管具有足够的强度，同时身管也不能过重。设计火炮身管的一项重要的前期工作就是确定火炮各种射击条件下身管各截面要承受的最大压强，各截面最大压强的连线就是身管设计压力曲线，该曲线是设计身管壁厚的重要依据。
1 传统身管设计压力曲线计算方法
目前的枪炮身管设计压力曲线通常由4段组成，如图1所示。前2段为直线，后2段为曲线，前2段数据要用到+50℃膛压曲线，第4段数据要用到-40℃膛压曲线，第3段数据要用到-40～+50℃之间数个药温下的膛压曲线。以曲线段至少包括5个数据点（包含端点）来计算，确定身管设计压力曲线至少要计算5条不同温度下膛压曲线，并从中处理出至少11个数据点。图形中符号含义详见参考文献[1]～[3]。
图1 身管设计压力曲线
图2 3段身管设计压力曲线
按照图1或者图2得到身管设计压力曲线后，附加上身管各截面安全系数后得到身管理论强度曲线，然后由基于第二强度理论的身管弹性强度极限公式（式（4）），选取合适的身管材料后，可以求得身管各截面的理论外半径r2（连接起来即理论外形）。考虑身管与摇架、炮尾等部件的连接，对身管理论外形调整后得到最终的身管实际外形。公式中符号含义详见参考文献[1]～[3]。
图5 火炮1身管设计压力曲线对比
图6 火炮1身管外形对比
图7 火炮2身管设计压力曲线对比
图8 火炮2身管外形对比
图9 火炮2身管外形对比（局部）
从两种典型火炮仿真实例可以看出，采用文中提出的身管设计压力曲线简化方法，计算出的身管设计压力曲线和身管理论外形相对传统方法都具有足够的精度，完全可以代替传统方法使用。
枪炮身管设计压力曲线简化研究
杜中华;刘海平;吴大林
【摘 要】枪炮身管设计压力曲线是设计身管壁厚的依据,考虑到目前确定身管设计压力曲线的方法较为复杂,提出用直线代替曲线的简化方法,该方法计算工作量减少一半以上,仍然具有足够的精度.两种典型火炮的数值仿真结果证明了该简化方法的有效性.该研究为枪炮身管快速设计提供了参考.
特殊情况下，当Lg＜时，身管设计压力曲线只有3段，如图2所示。仍然以曲线段至少包括5个数据点（包含端点）来计算，确定身管设计压力曲线至少要计算5条不同温度下膛压曲线，并从中处理出至少7个数据点。
计算各温度下膛压曲线时通常要求解内弹道方程组，如式（1）所示。并进行平均压强p、膛底压强pt和弹底压强pd之间的转换，如式（2）和式 （3）所示。公式中符号含义详见参考文献[4]～[6]。
[5] 张小兵.枪炮内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2014.
[6] 张喜发,卢兴华.火炮烧蚀内弹道学[M].北京:国防工业出版社,2001.
[7] 陆宁.基于MATLAB语言即学即会[M].北京:机械工业出版社,2000.
[8] 薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2019(000)004
【总页数】3页(P32-34)
【关键词】枪炮身管;设计压力曲线;简化
【作 者】杜中华;刘海平;吴大林
【作者单位】陆军工程大学 石家庄校区,石家庄 050003;陆军工程大学 石家庄校区,石家庄 050003;陆军工程大学 石家庄校区,石家庄 050003
图3 简化的身管设计压力曲线
图4 简化的3段身管设计压力曲线
3 典型火炮数值仿真实例
为了检验身管设计压力曲线简化方法的可行性，以两种典型火炮为例，通过Matlab编程进行数值仿真计算[7-8]。
火炮1身管为通常的4段身管设计压力曲线，按照传统方法和简化方法计算出的身管设计压力曲线对比如图5所示，可以看出两者十分接近，差别最大处仅相差5.8%。该火炮身管内半径曲线、实际外形，以及按照传统方法和简化方法计算出的理论外形如图6所示。可以看出两种方法计算出的身管理论外形十分接近，差别最大处仅相差1%。按照实际外形对理论外形的调整力度，可以说，采用文中提出的身管设计压力曲线简化方法设计出来的身管实际外形与传统方法是完全没有差别壁厚的重要依据，传统计算方法需要计算多条膛压曲线，并处理多个数据点。文中在实际应用中基于“以直代曲”思想，提出了简化计算方法，使计算工作量减小一半以上，同时仍然具有足够的计算精度。2种典型火炮的数值仿真结果证明了该简化方法的有效性。
传统身管设计压力曲线确定方法着重考虑了低温-40℃到高温+50℃之间的药温变化，称之为高低温压力法。文中提出的简化方法则可称之为“折线法”或者“五点法”，该方法可以为枪炮身管快速设计提供参考。
2 身管设计压力曲线简化方法
对于一般的4段式身管压力曲线，其简化方法为：将图1中后2段曲线简化为2段直线，如图3所示。需要计算-40℃和+50℃下2条膛压曲线，处理5个数据点即可。对于特殊的3段式设计压力曲线，其简化方法为：将图2的第3段曲线简化为2段直线，如图4所示。需要计算3个温度下的膛压曲线，处理5个数据点即可。可以看出，简化方案的核心思想是“以直代曲”，计算工作量大大减少。
[参 考 文 献]
【相关文献】
[1] 张相炎,郑建国,袁人枢.火炮设计理论[M].北京:北京理工大学出版社,2014.
[2] 曾志银,张军岭,吴兴波.火炮身管强度设计理论[M].北京:国防工业出版社,2004.
[3] 潘玉田.炮身设计[M].北京:兵器工业出版社,2007.
[4] 钱林方.火炮弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2009.
目前枪炮设计中确定身管设计压力曲线的方法主要是高低温压力法，该方法考虑了身管内弹丸后方火药气体压力分布的不均匀性以及装药温度对膛压曲线的影响，计算较为复杂。要得到一种枪炮的身管设计压力曲线至少要计算5条不同温度的膛压曲线，并对10余个数据点进行处理[1-3]。文中在实际工作中提出了一种简化方法，只需要计算2～3条膛压曲线，并对4～5个数据点进行处理，即可得到身管设计压力曲线。计算工作量减少一半以上，同时具有足够的精度。
【正文语种】中 文
【中图分类】TJ302
0 引言
枪炮身管在射击时要承受高温高压的火药气体，因此必须合理确定身管各截面的壁厚，使得身管具有足够的强度，同时身管也不能过重。设计火炮身管的一项重要的前期工作就是确定火炮各种射击条件下身管各截面要承受的最大压强，各截面最大压强的连线就是身管设计压力曲线，该曲线是设计身管壁厚的重要依据。
1 传统身管设计压力曲线计算方法
目前的枪炮身管设计压力曲线通常由4段组成，如图1所示。前2段为直线，后2段为曲线，前2段数据要用到+50℃膛压曲线，第4段数据要用到-40℃膛压曲线，第3段数据要用到-40～+50℃之间数个药温下的膛压曲线。以曲线段至少包括5个数据点（包含端点）来计算，确定身管设计压力曲线至少要计算5条不同温度下膛压曲线，并从中处理出至少11个数据点。图形中符号含义详见参考文献[1]～[3]。
图1 身管设计压力曲线
图2 3段身管设计压力曲线
按照图1或者图2得到身管设计压力曲线后，附加上身管各截面安全系数后得到身管理论强度曲线，然后由基于第二强度理论的身管弹性强度极限公式（式（4）），选取合适的身管材料后，可以求得身管各截面的理论外半径r2（连接起来即理论外形）。考虑身管与摇架、炮尾等部件的连接，对身管理论外形调整后得到最终的身管实际外形。公式中符号含义详见参考文献[1]～[3]。
图5 火炮1身管设计压力曲线对比
图6 火炮1身管外形对比
图7 火炮2身管设计压力曲线对比
图8 火炮2身管外形对比
图9 火炮2身管外形对比（局部）
从两种典型火炮仿真实例可以看出，采用文中提出的身管设计压力曲线简化方法，计算出的身管设计压力曲线和身管理论外形相对传统方法都具有足够的精度，完全可以代替传统方法使用。
枪炮身管设计压力曲线简化研究
杜中华;刘海平;吴大林
【摘 要】枪炮身管设计压力曲线是设计身管壁厚的依据,考虑到目前确定身管设计压力曲线的方法较为复杂,提出用直线代替曲线的简化方法,该方法计算工作量减少一半以上,仍然具有足够的精度.两种典型火炮的数值仿真结果证明了该简化方法的有效性.该研究为枪炮身管快速设计提供了参考.