火炮设计理论 学习指南

《火炮设计理论》
课程简介
火炮设计理论是武器系统与工程（火炮）专业的主要专业课，是一门综合应用基础理论和专业
基础理论的工程设计课程。

通过本课程学习，使学生掌握火炮设计基本理论和方法，为今后的工作
打下专业基础。

火炮设计理论，是火炮工程研究的理论依据，是火炮科研人员必须掌握的基本理论。

火炮设计理论主要研究火炮这样一种特殊机械系统在高温、高压、高速、高应变率状态下的特性及
其设计理论。

火炮设计理论课程主要介绍火炮设计的基本概念、基本理论和基本方法，包括火炮设计理论的
主要内容和发展，火炮主要零部件（包括炮身、反后坐装置、自动机及炮架等）的设计理论和方法。

教学组织以课堂教学为主，辅助自学、网络教学和实验教学。

教学方式以多媒体课件为主，结合板书、交流互动等多种形式。

课程的教学目标与基本要求
1. 教学目标：通过本课程的学习，使学生掌握火炮及其主要零部件设计的基本理论和方法，提高学生综合运用学习过的基础理论和专业基础知识及解决实际工程技术问题的能力。

2. 基本要求：了解火炮设计理论及其发展，熟悉火炮设计理论的基本方法和思路，掌握炮身、反后坐装置、自动机、炮架等火炮主要零部件设计的基本理论和方法。

学时数：
总 64 学时，其中：授课56学时，实验8学时
教材：
张相炎主编，火炮设计理论，北京理工大学出版社，2005年
参考书目：
①谈乐斌等编，火炮概论，北京理工大学出版社，2005年
②伊玲益编，炮身设计，国防工业出版社，1977年
③高树滋等编，火炮反后坐装置设计，兵器工业出版社，1995年
④张相炎编著，火炮自动机设计，北京理工大学出版社，2010年
⑤韩魁英等编，火炮自动机设计，国防工业出版社，1988年
⑥孙远孝等编，炮架及总体设计，兵器工业出版社，1995年
第1次课(1 绪论)
一、教学目的和要求
了解火炮设计理论的地位和作用、发展，熟悉火炮设计理论的主要内容。

二、教学内容纲要
1 火炮的特点、地位、作用
2 火炮设计流程
3 火炮设计理论的主要内容、方法
4 课程的地位、作用、学习方法与基本要求
5 课程的学习安排
三、重点、难点
课程的特点、学习方法、要求
四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（2学时）
1 火炮具有哪些特点？
2 火炮设计理论的主要内容包括哪些方面？
3 学习火炮设计理论的基本要求有哪些？
4 火炮设计理论的主要学习方法有哪些？
第2次课(2 炮身设计：2.1概述)
一、教学目的和要求
熟悉炮身结构设计方法，掌握炮身强度设计方法。

二、教学内容纲要
1 炮身及其组成、作用、分类、要求；
2 炮身设计的主要内容；
3 炮身内膛结构设计、身管外部设计、炮尾炮闩的结构设计；
4 发射时炮身受力、设计压力曲线、强度设计；
5 身管寿命
三、重点、难点
炮身结构设计特点，设计压力曲线。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1线膛炮身管内膛线的作用是什么？什么是膛线的缠角？什么是膛线的缠度
2对炮身设计的主要要求有哪些？
3如何求作高低温压力曲线？
4提高身管寿命有主要有哪些技术措施？
第3次课(2炮身设计：2.2单筒身管设计：2.2.1厚壁园筒理论，2.2.2强度理论) 一、教学目的和要求
了解厚壁园筒及其壁内应力应变分析方法和规律，熟悉强度理论概念及常用强度理论具体内容。

二、教学内容纲要
1 厚壁园筒基本假设；
2 厚壁园筒物理模型；
3 厚壁圆筒内的应力应变分析；
4 强度理论概念及常用强度理论具体内容。

三、重点、难点
1 厚壁圆筒内的应力应变分析；
2 强度理论概念。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1 厚壁圆筒与薄壁圆筒的主要区别是什么？
2 厚壁圆筒内应变与径向位移具有什么关系？
3 厚壁圆筒内应力和应变与内压、外压有什么关系？
4 厚壁圆筒内应力和应变与半径有什么关系？
5 什么是强度理论？常用的强度理论有哪几种？火炮设计一般采用哪种强度理论？
第4次课(2炮身设计：2.2单筒身管设计：2.2.3单筒身管的强度极限,2.2.4 身管理论强度曲线，2.2.5 单筒身管设计)
一、教学目的和要求
熟悉单筒身管的弹性强度极限和单筒身管的理论强度极限概念，熟悉提高单筒身管的弹性强度极限技术途径，掌握单筒身管设计方法。

二、教学内容纲要
1 单筒身管的弹性强度极限概念、表达式，以及身管弹性强度极限与材料、壁厚、轴向应力、动载的关系；
2 安全系数、单筒身管的理论强度曲线概念，以及理论强度曲线求作；
3 单筒身管设计流程。

三、重点、难点
单筒身管的弹性强度极限和单筒身管的理论强度极限概念，单筒身管设计方法。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（2学时）
1什么是单筒身管弹性强度极限？采用第三强度理论推导单筒身管弹性强度极限，并分析其与第二强度理论的差别。

2分析壁厚、材料对单筒身管弹性强度极限的影响。

3 按第Ⅱ强度理论推导给定外压条件下单筒身管的强度极限，并分析其影响和提供外压的途径。

4 身管的安全系数的含义？如何选取？
5 什么是单筒身管理论强度极限？
6 身管外部结构设计要求主要有哪些？
紧身管的应力分析)
一、教学目的和要求
熟悉自紧身管工作原理，掌握液压自紧身管的应力分析方法。

二、教学内容纲要
1自紧身管概念、自紧原理、自紧身管的特点、自紧工艺；
2 自紧时的应力、残余应力、发射时的应力、不出现反向屈服的条件。

三、重点、难点
自紧身管工作原理、自紧身管的应力分析。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1 什么是自紧原理？自紧身管有哪些特点？有哪些自紧工艺？
2 什么是自紧应力？什么是自紧残余应力？
3 什么是反向屈服？自紧身管不出现反向屈服的条件是什么？
一、教学目的和要求
熟悉自紧身管设计过程，掌握自紧身管加工过程及其控制。

二、教学内容纲要
1 自紧身管弹性强度极限、自紧身管的一般设计步骤；
2 自紧时身管外表面应变同内压的关系、自紧曲线、加工对自紧身管弹性强度极限的影响。

三、重点、难点
自紧身管设计过程，自紧曲线及其控制。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1 试推导全塑状态下自紧身管弹性强度极限。

2自紧身管的一般设计步骤及其重点？
3什么是自紧曲线？自紧曲线如何测量？自紧曲线如何控制？
第7次课 (3 反后坐装置设计：3.1概述)
一、教学目的和要求
了解反后坐装置及其作用、后坐装置的的典型结构。

二、教学内容纲要
1 反后坐装置及其作用；
2 反后坐装置设计的要求、任务、内容；
3 后坐系统的分类、反后坐装置的功能和类型；
4 反后坐装置的典型结构。

三、重点、难点
反后坐装置及其作用、反后坐装置的的典型结构。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（2学时）
1反后坐装置及其组成、作用、要求？
2 反后坐装置有哪些功能？通过什么实现这些功能？
3复进机有哪几种结构类型？各有什么特点？
4 制退机有哪几种结构类型？各有什么特点？
5 液体气压式复进机和制退机中液体各有什么作用？
6 什么是节制杆式制退机？
第8次课(3 反后坐装置设计：3.2火炮发射时动力分析)
一、教学目的和要求
了解火炮发射时受力，熟悉火炮射击时的静止性和稳定性分析方法，掌握火炮射击时的运动分析方法。

二、教学内容纲要
1火炮发射时受力分析；
2 火炮射击时的静止性和静止性条件，火炮射击时的稳定性和稳定性条件；
3 后坐制动图的概念、拟定原则、典型后坐制动图、后坐制动图的制定
4 自由后坐概念、火药气体作用系数、后坐运动分析、火炮发射动力学
三、重点、难点
火炮射击时的静止性和稳定性分析、自由后坐与制退后坐。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1 什么是后坐阻力？什么是后坐力？
2 什么是自由后坐？什么是制退后坐？
3 什么是火炮后坐时的静止性和稳定性？静止性和稳定性条件是什么？如何保障火炮后坐时的静止性和稳定性？
4 什么是火炮后坐制动图？拟定后坐制动图的原则有哪些？如何制定后坐制动图？
5火药气体作用系数β的物理意义是什么？实践中如何得到火药气体作用系数？
6火炮发射动力学的特点是什么？火炮发射动力学研究方法与传统有何差异？
第9次课(3 反后坐装置设计：3.3复进机设计，3.4制退机设计：3.4.1制退机基本工作原理)
一、教学目的和要求
掌握典型复进机设计方法，熟悉制退机基本工作原理。

二、教学内容纲要
1复进机的作用、要求；
2弹簧式复进机设计；
3液体气压式复进机设计；
4制退机基本工作原理、液压阻力计算。

三、重点、难点
典型复进机设计，制退机基本工作原理。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
序号主要内容时间
1 复进机的作用、要求10
2 弹簧式复进机设计35
3 液体气压式复进机设计45
4 制退机基本工作原理与液压阻力计算45
1 复进机的主要作用有哪些？对复进机有哪些要求？
2 弹簧式复进机具有哪些特点？弹簧式复进机的复进机力主要取决于哪些参数？
3 液体气压式复进机有哪些特点？液体气压式复进机力主要取决于哪些参数？
4 如何确定液体气压式复进机的气体初压？确定液体气压式复进机结构尺寸应遵循哪些原则？
5 根据什么建立后坐部分运动速度与制退机液体流动速度之间的关系？根据什么建立制退机液体流动速度与液体压力之间的关系？制退机液压阻力与后坐部分运动速度之间是什么关系？
6 如何考虑液体流动时的能量损失？
7 试推导图示简单筒后坐制退机的液
压阻力计算式。

第10次课(3 反后坐装置设计：3.4制退机设计)
一、教学目的和要求
熟悉液压制退机的基本原理及液压阻力计算式的推导、掌握节制杆式制退机设计方法。

二、教学内容纲要
1液压制退机的工作实质；
2节制杆式制退机液压阻力计算、流液孔计算、内腔充满条件、液压阻力系数；
3 节制杆式制退机结构设计、节制杆外形调整。

三、重点、难点
节制杆式制退机液压阻力计算式的推导、节制杆式制退机设计。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（2学时）
1液压制退机的工作实质是什么？
2 复杂制退机液压阻力计算的思路是什么？
3 为什么引入液压阻力系数？液压阻力系数的实质是什么？
4 制退机结构设计中应注意哪些特殊问题？为什么要进行节制杆外形的调整？
第11次课(3 反后坐装置设计：3.6炮口制退器设计)
一、教学目的和要求
了解炮口制退器的工作原理，熟悉典型炮口制退器结构和炮口制退器效率等特征量计算方法，了解炮口制退器设计思路。

二、教学内容纲要
1 炮口冲击波、炮口噪声、炮口焰及其影响，炮口装置；
2 后效期炮膛合力理论计算方法；
3 炮口制退器结构分析、性能分析、结构设计原则和流程、主要结构参数设计。

三、重点、难点
炮口制退器效率等特征量计算方法。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1在火炮射击的后效期，炮口周围出现哪些物理现象？
2 什么是炮口冲击波？炮口冲击波有哪些特点？如何控制炮口冲击波？
3 炮口装置有哪几种？起作用和工作原理？
4 炮口制退器有哪些主要作用？炮口制退器有哪几种结构形式？各自特点如何？
5 炮口制退器的设计应遵循哪些原则？
6 炮口制退器的设计流程？
第12次课(4 自动机设计：4.1概述，4.2自动机构动力学：4.2.1 概述，4.2.2简单自动机构运动微分方程的建立)
一、教学目的和要求
熟悉主要自动机类型及其工作原理，了解自动机发展，熟悉自动机设计的主要内容、自动机工作循环图及其作用，掌握简单自动机构运动微分方程的建立思路和方法。

二、教学内容纲要
1自动机及其组成、特点、类型及其工作原理、发展；自动机设计的主要内容；
2自动机工作循环图；自动机动力学及其仿真概念；
3 简单自动机构运动微分方程的建立。

三、重点、难点
各类自动机工作原理，自动机构运动微分方程的建立方法。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
序号主要内容时间
1 自动机及其组成、特点、类型及其工作原理、发展60
2 自动机设计的主要内容 5
3 自动机工作循环图15
4 自动机动力学及其仿真概念10
5 简单自动机构运动微分方程的建立45
1自动动作主要包括哪些？
2 火炮自动机主要由哪些部分组成？火炮自动机有哪些工作特点？
3 火炮自动机有哪些工作原理？各有什么特点？
4 火炮自动机的发展方向？
5 什么是构件？什么是基础构件？什么是工作构件？
6 什么是自动机循环图？什么是特征点？什么是特征段？
7 什么是有效力？什么是有效推力？什么是有效阻力？
8 什么是自动机运动微分方程？工作构件是如何影响基础构件的？
9 什么是传递效率？什么是质量换算系数？什么是力换算系数？
10 建立图示简单自动机构运动微分方程，说明所有符号的意义。

第13次课(4 自动机设计：4.2自动机构动力学：5.2.3复杂自动机构运动微分方程推广,4.2.4传动效率及其计算)
一、教学目的和要求
掌握建立自动机动力学模型的基本方法和结构参数计算方法。

二、教学内容纲要
1 简单自动机构运动微分方程的推广；
2 传动效率的引入、实质、确定。

三、重点、难点
自动机构运动微分方程的建立，结构参数的确定。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（2学时）
序号主要内容时间
1 简单自动机构运动微分方程的推广45
2 传动效率及其计算45
1什么是相当质量？什么是相当阻力？什么是附加惯性阻力？
2自动机运动微分方程有哪些特点？
3试写出图示机构运动微分方程（不必推导），并说明所用符号及
各项的意义。

4 计算传递效率基本思路？
5自动机基础构件上的给定力所做的功在自动机传动过程中分配为哪几个部分？传动效率的实质是什么？
6试推导图示简单机构的传速比和传动效率的计算式。

第14次课(4 自动机设计：4.2自动机构动力学：4.2.5 构件间的撞击计算，4.2.6自动机的动力学仿真，4.3自动机结构设计：4.3.1概述，4.3.2开闩机构设计)
一、教学目的和要求
熟悉构件间的撞击计算方法，熟悉自动机的动力学仿真方法、程序结构，了解动力学仿真平台在火炮自动机构动力学仿真中的应用，了解自动机结构设计任务和内容，熟悉开闩机构设计方法。

二、教学内容纲要
1构件间的撞击、特点、计算方法；
2火炮自动机构动力学仿真概念、特点，数值仿真程序要求、结构；
3动力学仿真平台在火炮自动机构动力学仿真中的应用；
4自动机结构设计任务和内容；
5开闩机构设计。

三、重点、难点
构件间的撞击计算，自动机的动力学仿真思路，杠杆卡板式闩机构设计。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1撞击对自动机有什么影响？
2自动机构件间的撞击分为哪几种？如何计算正撞击后的速度？
3 恢复系数的意义？如何选取？
4 试推导57高闭锁开始时的撞击计算式，说明所用符号的意义。

5火炮自动机动力学仿真的要求、基本步骤？火炮自动机构动力分析程序特点？
6自动机设计的主要任务和主要内容是什么？几何学设计、运动学设计、动力学设计的含义？
7开闩机构的作用、要求?
8加速机构设计的关键是什么？杠杆-卡板式加速机构设计方法和步骤？
第15次课(4 自动机设计：4.3自动机结构设计：4.3.2炮闩设计)
一、教学目的和要求
熟悉自动机炮闩设计方法。

二、教学内容纲要
1 炮闩及其组成、分类
2 闭锁机构及其要求、类型、设计特点
3 击发机构及其要求、类型、设计
4 抽筒抛筒机构设计
三、重点、难点
闭锁机构设计。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1 火炮自动机炮闩及其作用？火炮自动机炮闩的组成？
2 什么是闭锁？闭锁机构主要作用是什么？
3 闭锁机构必须满足哪些要求？闭锁机构设计的主要内容？
4 炮闩纵动式闭锁机构有那些类型？
5 对击发机构有哪些要求？
6 影响击发可靠性的主要因素有哪些?如何提高击发可靠性？
第16次课(4 自动机设计：4.3自动机结构设计：4.3.4供输弹机构设计) 一、教学目的和要求
熟悉供输弹机构设计方法。

二、教学内容纲要
1 供输弹基本概念，供输弹过程，供输弹方式，供输弹机构；
2 供输弹机构类型；
3 对供输弹机构要求，供输弹机构设计任务和步骤；
4 弹带阻力计算。

三、重点、难点
供输弹基本概念，对供输弹机构要求，供输弹机构设计步骤，弹带阻力计算。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（2学时）
1供输弹机构的作用？
2 什么是供输弹过程中三大位置？什么是供输弹过程中三大阶段？
3 为什么要采用双路供弹机构？
4 如何保证供输弹过程中炮弹的确定性？
5 供输弹机构设计的主要步骤？
6 弹带运动有哪些特点？什么是弹带柔性？
7 什么是弹链供弹弹带阻力？如何计算弹带阻力？
第17次课(5 火炮炮架设计：5.1概述，5.2 架体设计)
一、教学目的和要求
了解架体结构设计、架体受力分析、架体强度分析方法。

二、教学内容纲要
1炮架及其作用、组成、类型；
2 炮架设计的主要内容，炮架结构设计及其要求、步骤，炮架受力分析，炮架强度设计方法
3 架体及其组成、作用，架体结构设计、架体受力分析、架体强度分析。

三、重点、难点
架体结构设计、架体受力分析、架体强度分析。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1 炮架及作用？
2 现代牵引火炮的炮架主要有哪些组成？
3 炮架设计的主要内容有哪些？
4 炮架结构设计的主要内容及要求有哪些？
5 炮架结构设计的主要步骤有哪些？
6 传统的架体受力分析思路是什么？其优缺点？
7 火炮发射动力学的基本思想是什么？其优缺点？
第18次课(5 火炮炮架设计：5.3平衡机设计，5.4瞄准机设计, 5.5自行火炮炮塔设计:5.5.1炮塔设计基本概念,5.5.2炮塔总体设计)
一、教学目的和要求
熟悉平衡机和瞄准机设计方法，了解自行火炮炮塔基本概念、组成、设计要求和原则。

二、教学内容纲要
1平衡原理、平衡方式、平衡机结构，平衡机设计；
2平衡补偿、平衡性能调整；
3瞄准与瞄准机，瞄准机结构设计、传动设计、强度设计；
4炮塔及其组成、类型、要求，炮塔设计主要内容、设计原则；
5炮塔总体设计。

三、重点、难点
平衡原理、平衡机设计和瞄准机设计方法，炮塔及其组成、类型、要求，炮塔设计内容、原则。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1 重力矩的对瞄准操作有何影响？如何平衡重力矩？
2 什么是不平衡力矩？如何配置不平衡力矩？
3 什么是完会平衡与不完会平衡？什么是三点平衡？什么是两点平衡？
4 试建立拉式弹簧平衡机三点平衡条件。

5为什么要进行平衡补偿？什么是平衡补偿？
6为什么要进行平衡性能调整？什么是平衡性能调整？如何进行平衡性能调整？
7什么是瞄准？什么是高低瞄准？什么是方向瞄准？
8瞄准机一般哪些部分组成？对瞄准机设计有哪些要求？
9什么是自行火炮的炮塔？对炮塔的主要要求有哪些？
10 炮塔设计的主要内容？炮塔设计的基本原则？
11 炮塔总体布置的主要内容？
第19次课(5 火炮炮架设计：5.5自行火炮炮塔设计:5.5.3炮塔主要部件设计) 一、教学目的和要求
了解自行火炮炮塔主要部件基本概念、组成、设计要求和原则。

二、教学内容纲要
1炮塔体结构设计、密封设计、防护设计、刚强度分析；
2托架及其作用、组成、设计要求，结构设计，刚强度分析；
3座圈的组成、设计要求，刚强度分析；
4吊篮设计。

三、重点、难点
炮塔主要部件基本概念、组成、设计要求和原则。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（2学时）
1 炮塔体的主要功能？炮塔体设计的要求？炮塔体设计的主要内容？
2 托架的作用？对托架设计的主要要求？
3 对座圈的主要要求？
4 吊篮的作用？对吊篮结构设计的主要要求？
第20次课(5 火炮炮架设计：5.6运动体与底盘设计：5.6.1概述，5.6.2发动机选择、5.6.3传动系设计)
一、教学目的和要求
了解牵引火炮运动体以及自行火炮底盘的基本概念、组成、设计要求和原则。

二、教学内容纲要
1火炮运行系统概念和要求；
2 底盘组成、要求，底盘的总体布置；
3发动机及其功能、要求、选择；
4传动系及其功能、要求、设计流程、部件设计。

三、重点、难点
火炮运行系统概念和要求，底盘的总体布置。

四、教学方法，实施步骤
根据本章课的内容特点，运用启发式、案例分析式等教学方法讲授本课程内容。

五、时间分配（3学时）
1火炮运行系统及其作用？对火炮运行系统的主要要求？
2底盘有哪几部分组成？其功用？
3 底盘机动性能有哪些技术指标？
4底盘的动力和传动部分布置优哪几种形式？特点如何？
5对发动机有哪些主要要求；
6传动系包括哪些主要机构？。