高膛压火炮火炮单筒身管设计

高膛压火炮火炮身管设计

1. 任务要求

根据下列参数开展单筒身管设计： 口径d ：105mm 炮膛截面积S ：88.2cm 2 药室容积0W ：2507cm 3 身管长度：37d 弹丸行程g l ：3510mm 弹重：14.97kg 初速：616m/s

常温（21℃）最大平均膛压(铜拄) ：320MPa 最大（-51℃～60℃)单发膛压(铜拄) ：393MPa 2. 设计过程

（1）绘制高低温压力曲线

各种温度t 下的测压器最大压力公式

)()()00505.01(t m t t m p t p ⨯∆+= （1）

各种温度t 下的内弹道最大压力公式

t

T m t T m t m p p q

p )()(1

055.11065.1=+=

ω

λϕ （2）

火炮在作战条件下使用时，装药温度受气温影响很大，为了保证安全，身管设计压力曲线就要考虑装药温度的变化。这里采用的温度范围是：常温21℃，高温63℃，低温-40℃。在高温63℃和低温-40℃的情况下，最大压力的可能变化范围可由上述公式（1）计算得到。利用式（1）和（2）可以计算出这两个温

度的最大膛底压力63+tm p 和40

-tm p 的值。并将内弹道计算得出的平均压力的高低温曲

线l p -换算成弹底压力曲线L p d -。根据计算得出的数据，绘制出常温、高温、低温下的压力曲线，从外往内分别为膛底压力曲线、平均压力曲线、弹底压力曲

线：

050

100

150

200

250

300

350

P (M P a )

L(cm)

图1 常温（21℃）时的压力曲线

P (M P a )

L(cm)

图2 高温（63℃）时的压力曲线

P (M P a )

L(cm)

图3 低温（-40℃）时的压力曲线

再根据已经得出的常温、高温、低温下的弹底压力曲线，绘制出身管的高低温压力曲线，如下图所示：

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0100

200

300

400

500

P (M P a )

L(mm)

P +63

dm

P +63

tm

P +63

dk

P -40

dk

P -40

dg

P t

dk -L

P -40

d -L

图4 高低温压力曲线

上图中曲线即为求出的高低温压力曲线。从上图可以看出，当温度t=63℃时，燃烧结束点靠近药室底部；当温度t=-40℃时，燃烧结束点靠近炮口；并可得出高低温压力曲线变化规律：

(1)由0=L 到d L L m 5.163+=+的压力曲线变化规律是线性的，

用63+tm p 到63

+dm p 的直线表示。

(2)由d L L m 5.163+=+到63+=k L L 的压力曲线变化规律是线性的，

用63+dm p 到63+dk p 的直线表示。

(3)由63+=k L L 到40-=k L L 的压力曲线变化规律用曲线L p t dk -表示。 (4)由40-=k L L 到g L L =的压力曲线变化规律用曲线L p d

--40

表示。 （2）绘制身管理论强度曲线

身管弹性强度极限是身管强度设计的基本依据。在设计时，根据设计压力和选取的安全系数所求出的身管可能承受的最大内压即为身管的理论弹性强度极限。由于身管各横截面的设计压力和身管各部要求的安全系数不尽相同，因此各横截面的理论弹性强度极限也不相同。绘出身管理论强度极限曲线，如下图所示，其中，曲线2即为身管理论强度极限，曲线1为高低温压力曲线

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0100

200

300

400

500

P (M P a )

L(mm)

2

1

图2.5 身管理论强度极限曲线

（3）确定身管的理论外形

初步设计时，可先确定药室部、最大压力部和炮口部三个部位的外径。在药室部和炮口部各取若干点，加上最大压力点，计算其理论外径。根据各处的内径

1d ，材料比例极限p 和身管理论强度极限1P 可计算2d 。

表1 身管理论外形表

根据总体要求和身管与各部件的连接对理论外形进行调整，将调整前和调整后的身管理论外形曲线进行比较，结果如下图，其中，曲线1为调整前，曲线2为调整后。

500

1000150020002500300035004000

102030405060708090100110120130140150160170180190

d 2(m m )

L(mm)

2

1

图2.6 调整前后的身管理论外形曲线

（4）身管强度的计算

首先需要建立模型，由于身管在圆周的各个方向受力可视为完全相等，因此可以将模型简化，只取出身管的纵向截面来考虑。选择网格的单元长度为2mm，采用四边形、映射网格划分。

图3.2 身管底部网格划分

最后得出身管上的应力曲线如下：

图3.7 身管应力曲线图