火炮设计理论(炮身设计)
火炮设计理论(火炮系统分析与总体设计)
§6.1 火炮战术技术指标
（4）弹丸对目标的毁伤效能 弹丸对目标的毁伤效能，是指弹丸在目标区或对目标作用时，通过 直接高速碰撞、装填物的特性或其自身反应，产生或释放具有机械、热、 化学、生物、电磁、核、光学、声学等效应的毁伤元，如实心弹丸、破 片、爆炸冲击波、聚能射流、热辐射、高能粒子束、激光、次声、生物 及化学战剂气溶胶等，使目标处于极端状态的环境中，暂时或永久地、 局部或全部丧失其正常功能。 常用指标包括口径、初速、弹重、杀伤半径等等。
§6.1 火炮战术技术指标
1.4 战场生存能力
战场生存能力主要包括伪装和隐身能力、装甲防护能力、核生化“三防” 能力、紧急逃生能力、迅速脱离战斗的能力、电子战信息战的能力等。 伪装和隐身能力，主要是采用的伪装措施和隐身技术。当部队进行调动、 集结和隐蔽待命时，尽量不让敌方侦察发现，因此，应有适应环境的伪装措 施，如穿戴伪装网，插戴就地采集的树枝、野草，人员涂抹伪装油彩等；火 炮装备采用隐身技术，如暴露的金属表面和光学玻璃，要经过适当的表面处 理不会在阳光照射下闪亮，火炮装备的表面增加隐形涂料，采用隐身材料等。 把发射时伴生的声、光、焰降低到尽可能小的程度。 装甲防护能力，主要是采用装甲和衬里防护。对非装甲的自行火炮采用 防盾，在有限的范围内防枪弹和破片的毁伤，减少膛口冲击波的伤害。对装 甲自行火炮，能防破片的毁伤。为了降低穿、破甲后的二次毁伤效应，在装 甲车内增加一种特殊的衬里，可以降低车内人员、仪器、设备的毁伤。 核生化“三防”能力，主要是装备具有“三防”能力的设施。未来战争 在敌方实施核、生、化攻击时，自行火炮应具有“三防”设施，以确保能安 全地通过核、生、化火炮污染过的地域。
系统效能:预期一个系统满足一组特定任务要求的度量。 系统效能 ＝＞ 有效性 + 可信赖性 + 功能 有效性：系统在规定条件下随时使用时能正常工作的能力。 可信赖性：系统在规定条件下在规定时间能正常工作的能力。 功能：系统能达到任务目标的能力。 火炮的作战效能＝＞ 威力 + 机动性 + 快速反应能力 + 战场生存能力 + 可靠性
火炮设计理论
K1 dx1 v1 dx v
由理论力学知， v1 v v10
方向 大小 √ ? √ √ √ ?
v1 pb K1 tg v pa
这就是传速比K1的解析式，若已知随x的变化规律，则可求得K1随x的变 化规律。
火炮设计理论
主讲：张相炎 教授
南京理工大学火炮教研室
联系电话：84315581
第四章 火炮自动机构设计
§4.1 概述
1 火炮自动机
1.1 自动炮 自动炮 T 半自动炮 非自动炮 连续自动射击与单发射击 1.2自动动作 击发、收回击外、开锁、开闩、抽筒、抛筒、供弹、输弹、关闩和闭 锁等。 1.3自动机 火炮自动机是自动火炮射击时，利用火药燃气或外部能源，自动完 成重新装填和发射下发炮弹，实现自动连续射击的各机构的总称。T
§4.1 概述
3 火炮自动机的发展
火炮自动机的发展，主要围绕： 提高初速 提高射速 提高机动性（包括减轻重量、减小后坐力等） 提高可靠性 主要发展方向有： （1）通用化：同一口径的火炮自动机具有多用途（可海、陆、空 通用），即一机多用。 （2）系列化：火炮口径序列化，型号序列化（逐步改进）。 （3）标准化：设计标准化，制造标准化，试验标准化。 （4）多样化：现有工作原理的综合运用，以及新原理、新结构的 创新。 （5）新概念：观念创新，技术突破等，如“金属风暴”。
T T
1.3 建立自动机动力学模型
渐变过程→运动微分方程 突变过程→撞击计算
1.4 动力学仿真
模型确认、仿真
1.3 传速比 （1）传速比 单自由度自动机构 → 基础构件运动规律 → 工作构件对基础构件的关系→工作构件的运动规律 → 自动机构运动规律
火炮设计理论 教学日历
作业4
5
1
3
13
2
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
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。
自动机构运动微分方程的建立，结构参数的确定。
作业5
作业6
5
3
1
14
3
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
“火炮设计理论”课程教学日历
周
星期
节
单元
课时
教学内容
目标与要求
重点与难点
作业
1
1
3
1
2
1绪论
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。
课程的特点、学习方法、要求
1
3
1
2
3
2炮身设计：2.1概述
熟悉炮身结构设计方法，掌握炮身强度设计方法。
炮身结构设计特点，设计压力曲线。
1
5
1
3
3
实验报告
5
5
1
15
3
4自动机设计：4.3自动机结构设计：4.3.2炮闩设计
熟悉自动机炮闩设计方法。
闭锁机构设计。
6
1
3
16
2
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
熟悉供输弹机构设计方法。
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。
6
3
122mm炮身设计说明书1
1 绪论1.1 火炮未来发展方向20世纪70年代以来，随着微电子技术、新材料、新能源在军事上的广泛应用，火炮的自行化、自动化、系统化程度越来越高，侦查、指挥手段不断更新，弹药更加多样化。
现代火炮系统的战术技术性能有了很大的发展。
比如，伴随微电子技术和计算机技术的发展，炮兵侦查仪器设备逐步形成了以光电技术为主的光学、激光、雷达、声测、电视、红外等先进侦查仪器构成的远中近结合，地面与空中结合，全方位、全天时，品种齐全、手样多段的侦查体系。
如今，正在研究和发展中的有液体发射药炮、电热炮、电磁炮、激光炮、射束炮等。
与现代火炮相比，未来火炮的结构及性能可能有较大的变化，具体来说可能体现在以下几方面：(1)发射技术取得新的进展。
首先是发射能源的多样性，即不仅采用固体化学能源，而且可能采用液体化学能源、电磁能源、电热化学能源及某些组合能源。
(2)减载技术将取得新得进展，磁流变、电流等技术可能应用于火炮反后坐装置，克服传统炮口制退器效率的限制。
(3)新材料的应用将有助于解决长期困扰火炮技术发展的固有问题，如身管内膛的烧蚀磨损、威力与机动性的矛盾等。
(4)原理性、结构性的创新，使现代火炮的结构发生重大变化。
(5)数字化火炮、智能弹药以及传感器引爆弹药等技术的发展使火炮系统综合作战效能得到大幅提高。
(6)火炮的作战对象、作战环境可能得到拓展，水中火炮、天基火炮等新型火炮可能相继出现，未来火炮具有摧毁敌方鱼雷、潜艇、卫星等功能。
总之，随着兵器科学技术的发展以及现代科技在兵器科学中的应用，火炮技术成为技术的综合体，它涉及能源、机械、材料、控制、光学、电子、通信和计算机等诸多学科，随着多种新概念武器的出现，表征火炮的各种属性正在发生根本性的变化。
1.2 炮身结构炮身是火炮的一个主要部件，包括身管、炮尾、炮口制退器、等零件。
它的主要作用是承受火药气体压力和引导弹丸的运动。
炮身设计主要包括强度计算和结构设计。
结构设计又包括膛内结构设计和外部结构设计。
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。
炮身设计知识点
炮身设计知识点炮身是火炮的核心组成部分之一，它直接关系到火炮的性能和效果。
炮身设计涉及许多知识点，本文将逐步探讨这些知识点。
1.炮身材料选择：炮身的材料选择对于火炮的性能和使用寿命至关重要。
常见的炮身材料包括钢、铝合金、钛合金等。
钢是最常用的炮身材料，具有较高的强度和韧性，能够承受高压力和高温。
铝合金具有较低的密度和良好的热导性能，适合用于制造轻型火炮。
钛合金具有较高的强度和抗腐蚀性能，适用于制造高性能火炮。
2.炮身结构设计：炮身的结构设计直接影响火炮的稳定性和精准度。
炮身通常由炮管和炮套组成。
炮管是火药燃烧产生高温气体的容器，需要具有较高的耐热性能和热膨胀系数匹配性。
炮套是用于固定炮管和提供支撑的结构件，需要具有足够的强度和刚度。
此外，炮身的长度和直径也是设计中需要考虑的因素，它们直接关系到火炮的射程和威力。
3.炮身制造工艺：炮身制造涉及到许多工艺步骤，如锻造、铸造、热处理、机械加工等。
在炮身制造过程中，需要保证材料的均匀性和强度，消除材料内部的应力和缺陷。
同时，炮身的表面质量也需要得到保证，以确保火药燃烧时的气体流动和炮弹的运动。
4.炮身热流分析：炮身在射击过程中会受到高温气体的冲击和热流影响，因此需要进行热流分析来评估炮身的热应力和变形情况。
热流分析可以通过数值模拟方法进行，通过计算炮身表面的温度分布和应力分布来评估其耐久性和可靠性。
5.炮身防护设计：炮身在作战环境中需要面对各种威胁，如炮弹的打击、敌方火力的攻击等。
因此，炮身的防护设计也是重要的考虑因素之一。
防护设计可以包括增加炮身的厚度、使用爆炸反应装甲、安装反应装甲等。
总之，炮身设计是火炮设计中的重要环节，涉及到材料选择、结构设计、制造工艺、热流分析和防护设计等多个方面。
通过合理的设计和优化，可以提高火炮的性能、精准度和使用寿命，确保其在作战中的有效性和可靠性。
炮身设计
火炮炮身设计任务书日期：年月日目前在提高火炮初速方面往往采用增膛压的方法，例如一些加农炮的强装药膛压已接近400Mpa，有的甚至更高，这就要求有能承受这样高内压的身管。
一般身管很难满足要求，而筒紧身管就是一个很好的选择。
筒紧身管由两个或多个圆筒构成，其外筒内径比内筒外径略大，外筒加热膨胀后套在内管上，冷却后外筒对内筒产生压力。
新研制的火炮身管设计，大多采用高低温压力曲线作为身管强度设计的依据。
故本次设计利用高低温压力曲线来设计筒紧身管。
相信在教研室各老师的悉心指导下能很顺利的完成此次身管设计。
关键词：高低温压力曲线；筒紧1 计算并绘制绘制作用于身管壁的压力曲线 (4)1.1 有关参量的计算 (4)3.1确定筒紧身管弹性强度极限P1 (10)3.2确定配合面直径2r2 (10)3.3选择内、外筒材料强度类别 (10)3.4确定紧缩量 (11)3.5实际强度的校核 (12)351紧缩量最小时校核内管强度 (12)3.52紧缩量最大时校核外筒的强度 (12)总结 (13)致谢 (14)参考文献 (15)1 计算并绘制绘制作用于身管壁的压力曲线已知参数：121.92d dm = 21.761q dm =3.77o w dm = 1.196s dm = g 23.84l dm = 2.86st l dm =()230.3m T p Mpa = 0 3.15l dm =1.1 有关参量的计算2.30.613.77ow ω∆=== 0 3.15 1.102.86ys l l χ=== g 023.847.583.15g l l Λ=== 110.49482(1)g g χλΛ+==+Λ210.32983(1)g g χλΛ+==+Λ由∆、()m T p 查IK m 系数表得压力全冲量系数1.44Ik m =因为采用硝化棉火药，所以温度修正系数0.00270.0027 1.440.00389t Ik m m ==⨯=因为身管全长23.84 2.8626.7sg L dm =+=比值26.721.9251.22sgL d==<因此取1.06∂=又因2.30.105721.76qω==所以次要功计算系数21.060.32980.1057 1.095qωϕλ=∂+=+⨯=1.1 确定高温膛底最大压力50()(1)(10.0038935)230.3262m T t p m t Mpa +=+⋅=+⨯⨯= 5050()1.12293tm m T p p Mpa ++==1.2确定高温弹底最大压力 取1 1.02ϕ=，并有护膛剂，则50m(T)50dm 111.065 1.065262265.4110.05126p p Mpa q λωϕ++⨯===++1.3 确定高温弹道最大压力50m p +5050m 21(1)(10.32980.1036)265.4274.5dm p q p Mpa λωϕ++=+=+⨯⨯=1.4 确定m L 、k L 及50dk p +根据50274.5mp Mpa +=，及061=，由内弹道压力表求出，由内弹道压力表求出1.675B =，按 1.6B =和 1.7B =插值即可求得50k +Λ、50k p +和50m +Λ，插值数据均列表1.1中。
火炮设计理论课程考试标准答案07
课程名称： 火炮设计理论 学分： 4.5 教学大纲编号：01023202试卷编号：010******* 考试方式：闭卷 满分分值： 100 考试时间： 120 分钟二、试推导图所示简单筒后坐驻退机液压阻力计算式，并说明所用符号的意义。
图中V 为筒后坐速度。
（15分）解：1）连续方程： wa VA =，即V a A w =；（5分） 2）能量方程：()222222212221222V a A K w K w w w V p ⎪⎭⎫ ⎝⎛==+=+=+ξξρ，即 2222222122V a KA V a a KA p ρρ≈-=（5分） 3）液压阻力：223102V a A K A p ρ≈=Φ（5分） 三、图示为某自动机构后坐时的机构简图。
其中加速臂1的质心与转轴O 重合。
试写出自动机运动微分方程，并说明方程中各项的意义；写出自动机附加阻力T 的表达式。
（15分）解：1）运动微分方程为：F x A x M =+•••2（5分） 其中：442433232222112120m K m K J K m K m m M ηηηη+++++= dxdK m K dxdK m K dxdK J K dxdK m K A 4444333322221111ηηηη+++= 一、回答下列问题：(每题5分，共60分)1．炮身的主要作用是什么？（承受火药气体压力和引导弹丸运动。
）主要包括哪几个部件？（身管、炮尾、炮闩。
）2．采用自紧身管提高身管强度的原理是什么？(自紧身管在制造时对其内膛施以高压，使内壁部分或全部产生塑性变形；内压消除以后，由于管壁各层塑性变形不一致，在各层之间形成相互作用，使内层产生压应力而外层产生拉应力；由于内壁产生与发射时方向相反的预应力，因此使发射时身管壁内应力趋于均匀一致，从而提高身管强度。
) 3．什么是单筒身管弹性强度极限？（单筒身管不产生塑性变形时所能承受的最大内压力。
）单筒身管弹性强度极限主要取决于什么？（材料、结构尺寸、强度理论。
火炮设计理论
火炮设计理论火炮设计是指根据作战需求和技术要求，从总体方案到详细设计，对火炮系统进行分析和设计。
火炮作为一种重要的作战装备，具有重要的作用和战斗力。
一个优秀的火炮设计必须考虑到多个方面的因素，包括火炮的性能指标、使用环境、作战任务以及可靠性等。
首先，火炮设计需要明确火炮的性能指标。
性能指标包括火炮的射程、射速、精度、弹药威力等。
这些性能指标直接关系到火炮的实际作战效果。
射程决定了火炮的打击范围，射速决定了火炮的快速反应能力，精度决定了火炮的打击精度，弹药威力决定了火炮的杀伤效果。
因此，在火炮设计中，需要根据实际情况和需求，合理确定这些性能指标。
其次，火炮设计需要考虑使用环境和作战任务。
使用环境包括地形、气候和电磁环境等因素，这些因素都会对火炮的使用造成一定的影响。
地形和气候的复杂性可能会影响火炮的射击精度和射程，电磁环境可能会影响火炮的通信和导航系统。
作战任务包括火炮的部署、指挥和作战使用等方面，火炮设计需要根据实际战场需求，提供相应的解决方案。
此外，火炮设计需要考虑火炮的可靠性和安全性。
可靠性是指火炮在各种条件下正常工作的能力，包括火炮的寿命、故障率和维修便捷性等。
火炮应该能够在恶劣环境中稳定地工作，并能够在需要时进行维修和保养。
安全性是指火炮在使用过程中的安全性能，包括火炮的防火、防爆和防燃能力等。
合理设置火炮的安全装置和系统，提高火炮的安全性能，对于减少意外事故和保护人员财产安全具有重要意义。
最后，火炮设计需要注重新技术的应用和创新。
随着科技的不断发展，新材料、新工艺和新技术的应用，将使火炮设计更加先进和高效。
例如，纳米技术的应用可以改善火炮的材料性能和强度，电子技术的应用可以提高火炮的控制和自动化水平，激光技术的应用可以提高火炮的定位和瞄准精度。
因此，火炮设计需要紧跟科技进步的步伐，不断进行技术创新和改进，以适应未来战争的需求。
总之，火炮设计是一项复杂而重要的任务，需要考虑多个方面的因素。
火炮设计理论
2）后效期各瞬时，膛内压力沿轴线呈抛物线分布：
t x
L
pxpt pt p*
x2 L2
（3）重要的关系式
1）由炮口临界压力表示的炮膛压力分布公式：
2）炮口截面秒流量公式 3）气流总反力公式
G* A k 13kk
g
p1g/k
px13 4kk1L x2 2p*
k1
p2k
6
F* k1 Ap
13kk
6
§3.7 炮口气流现象与炮口制退器设计
对于双腔室炮口cp120130d37炮口气流现象与炮口制退器设计炮膛阴线直径弹丸长度中央弹孔轴线的安装偏差角5弹丸炮口章动角1040cpiki从有效利用炮口制退器结构出发侧孔的有效面积应与腔室的前反射面积相近或稍大于前反射面积即也就是说前反射面的反射能力应与侧孔的排出能力相当以使冲击在前反射面的气体可以全部经侧孔排出
为了保证所要求的结构特征量和效率T，炮口制退器的结构型式和几 何尺寸可以有很多种组合。例如，同样的结构特征量可以用较大直径的
腔室和较小的侧孔角度实现，也可以用较小直径的腔室和较大的侧孔角度 实现；既可以用多腔室冲击式结构实现，也可以用单腔室多排侧孔的冲 击——反作用式结构实现。
似乎炮口制退器设计的自由度比较大。然而实际上，炮口制退器的设计 还要受到其它诸多因素的限制和制约。特别是随着火炮威力的提高，炮口 气流对环境的危害加剧，这一因素是炮口制退器设计时必须予充分重视的 限制性因素。
火炮设计理论
§5.5 运动体设计
在有的旧式火炮上曾采用过橡胶式缓冲器。这种缓冲器由于行军速度 的提高而被弹簧式代替。但由于它的结构简单，后又引起人们的注意，出 现过一些新的结构方案。
有些国家研究过气压式缓冲器，如图5-29所示。由于其弹性元件是气 体，因而不存在金属弹性元件的疲劳问题，同时可利用改变气压的方法来 调节缓冲性能，以适应不同路面和运行速度的需要。
§5.5 运动体设计
如果火炮上没有减振装置，那么当经过一次冲击后，受压弹簧即要伸张， 将其在冲击时所吸收的能量全部放出而变为炮架的动能，从而引起炮架在 铅垂方向的自由振动。这样因冲击而获得的机械能则以炮架动能和弹簧变 形能的形式互相转化。由于地面的冲击是随机的，因而就有可能出现共振 现象，使炮架振幅加大而碰到限制器。限制器上尽管有橡皮垫等缓冲元件， 而炮架受到的冲击力还是会加大很多倍，这对保证炮架各零部件的强度不 利，同时使火炮的行驶平顺性变坏。减振器的作用就是要将铅垂方向因冲 击而获得的机械能通过摩擦不可逆地转化为热能散失掉，以衰减炮架的振 动。
§5.5 运动体设计
设计火炮运动体应设法提高下列一些主要要求： （1）运动便捷性：主要设法减小运动阻力，包括减小车轮与车轮轴之 间的摩擦阻力和地面对车轮的滚动阻力； （2）道路通过性：主要是尽可能减小总体尺寸；设法使各轮的载荷分 布均匀，并能减小车轮对地面的单位面积压力； （3）高速行驶性：主要设法提高运动体的缓冲及减振性能，以保证火 炮在高速牵引或行驶中能经受不断的冲击，平稳行驶； （4）操作轻便性：主要使设计的行军战斗固定装置在行军战斗转换时， 操作轻便、迅速而安全； （5）工作可靠性：主要应保证各机构的动作灵活可靠，并有足够的强 度贮备，耐磨性好，并能有效地防尘。
扭杆弹簧按其断面形状可分为圆形、管形和片状三种。圆形扭杆结构 简单，制造方便，故应用最多。管形扭杆比前者在材料利用上较合理，但 加工不如圆形简单。片状扭杆是由几片固定在四方孔套筒内的扁钢组成， 这种扭杆的材料利用率不如圆形和管形扭杆，但是当三者断面面积和最大 剪应力相同时，片状扭杆的极限角最大，即刚度最小。这种扭杆在小口径 火炮上采用过。
火炮设计理论.
r
p
切向应力
r22 2 p s ln r 2r 2 2
r22 2 p s 2r22
2 r22 r 2
r2 2r22
r t s 1 ln r 2r22
2 2
2
r s ln 2r 2 r 2
→全弹状态
W2↑→Z↑→提高强度越明显
§2.4 自紧身管设计
2.3 残余应力（制造应力） 自紧时，在自紧压力P1作用下，身管从内表面开始出现塑性 变形，并且最终身管壁内形成塑性区和弹性区。并且身管壁内 存在径向应力（压力）p和切向应力σ t 。 卸去自紧压力P1时，由于身管内存在塑性变形，因此在卸载 过程中自紧身管内存在残余应力，也就是制造应力或预应力。 卸载过程是弹性卸载，相当于在一个内径为r1、外径为r2 ，的 弹性园筒上加一个-P1，而在身管内形成附加应力。附加应力 与自紧应力的迭加就形成残余应力。
1 2 1 2 1 2
2 m t p s
式中，2τm称为第三强度理论的相当应力。
§2.4 自紧身管设计
2.1 补充假设 （1）身管材料的拉伸和压缩特性一样； 这条假设就是为了略去鲍辛格效应的影响 （2）材料塑性变形后应力不增加； 这条假设就是为了忽略材料强化（硬化）现象的影响
半弹性状态
P1 K s ln
r2 r1
K 1.08
K 1.08 ~ 1.15
r22 2 P1 K s ln 2r 2 r1 2
§2.4 自紧身管设计
（5）说明 1）ρ 的影响
W22 W2 r22 2 ln ln W 2 s r1 2r2 2W22 P1
火炮设计理论-武器发射工程教学大纲
《火炮设计理论》课程教学大纲课程代码：110441002课程英文名称：Artillery design Theory适用专业：武器发射工程课程总学时：48 讲课：42 实验：6 上机：0大纲编写（修订）时间：2017年5月一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是武器发射工程专业的必修专业课，是本专业的学位课程。
内容涉及火炮结构设计的基本理论和设计准则。
重点介绍火炮炮身的基本知识和炮身种类构造特点及设计理论。
通过本课程的学习，使学生能够理解火炮的基本构成和作用特点，具有能够进行火炮炮身分析和设计的能力。
为培养学生将来从事火炮设计与生产工作奠定基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求重点掌握火炮系统的组成。
掌握火炮身管的设计理论。
了解火炮的各个组成部分的特性和相互作用的关系。
使学生具有分析和火炮总体结构的能力，具有设计火炮身管的能力。
（三）实施说明本教学大纲是依据本科生武器发射工程专业的2017版教学计划而编写。
在教学中应采用先进的、直观的教学手段——多媒体教学，以使学生很容易理解教学内容。
（四）对先修课的要求枪炮内弹道学等相关课程（五）对习题课、实验环节的要求重点章设有1-2道习题，以巩固所学内容。
（六）课程考核方式1．考核方式：考试。
2．考试方法：笔试，闭卷。
3．课程总成绩：期末考试成绩、实验成绩，平时考核（包括中期考试、作业、小测验、提问以及出勤等）、上机环节考核成绩的总和。
其中期末笔试成绩占70%，平时考核占20%。
实验占10%.（七）参考书目《炮身设计》，中北大学翻印《火炮设计理论》，张相炎等，北京理工大学出版社，2005二、中文摘要本门课程是武器发射工程专业的基础必修课，它包含了火炮设计的基本理论。
重点在于火炮身管的基本理论、类型及结构特征。
通过本门课程的学习，学生能理解火炮身管的基本理论、类型及结构特征，从而提高学生设计火炮的能力。
三、课程学时分配表四、教学内容及基本要求第1部分火炮系统的概念及构成总学时(单位：学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0具体内容：1）火炮概述;2）火炮的战术技术指标;3）火炮总体设计任务与内容。
炮身设计知识点
炮身设计知识点炮身是指火炮的主要结构组成部分，它直接承受着极高的压力和瞬间的冲击力。
在现代军事中，炮身的设计非常重要，关系到火炮的射程、精度和使用寿命等方面。
本文将介绍炮身设计的一些重要知识点。
一、材料选择炮身的材料选择是决定其性能的重要因素之一。
传统的火炮炮身多采用高强度低合金钢材，有较好的耐磨损性和耐腐蚀性。
随着科技的发展，一些新型材料如合金钢、复合材料等也被应用于炮身设计中，能够提升炮身的强度和轻量化程度。
二、内、外径设计炮身的内径与外径设计是保证火炮射击性能的重要方面。
内径的尺寸直接影响火炮的口径，与弹药的匹配度密切相关。
外径的尺寸决定了火炮的外形尺寸和重量，也关系到其机动性和便携性。
三、膛线设计膛线设计是指炮身内壁的螺旋纹路设计。
膛线的设计直接影响火炮弹丸的旋转速度和稳定性，影响射击精度。
常见的膛线形式有线条膛、矩形膛等，每种膛线形式都有其适用的射击需求和优势。
四、炮身长度炮身长度是指火炮的整体长度。
炮身长度的选择往往需要综合考虑射程、口径、弹药威力等因素。
炮身长度的合理设计可以提高火炮的射程和精度，同时也要考虑到便携性和机动性的需求。
五、冷却系统炮身设计中的冷却系统是为了控制高温产生和排出的热量。
冷却系统可以采用空气冷却、液体冷却等方式，通过有效降低炮身温度，延长炮身的使用寿命。
冷却系统的设计要兼顾降温效果和冷却介质的供给方式。
六、刚度与强度炮身的刚度和强度是保证其可靠性和安全性的基本要求。
刚度的设计可以避免炮身的变形和振动，在射击时保持稳定的定位。
强度的设计要能够承受高压力和冲击力的影响，避免发生爆破或者失效的情况。
七、炮口设计炮口是火炮的射击口，其设计对于弹丸的发射速度和稳定性有着直接影响。
炮口设计可以包括喷嘴、制动器等结构的设计，用于控制火炮的后座力和提高射击精度。
综上所述，炮身设计涉及许多重要的知识点，包括材料选择、内外径设计、膛线设计、炮身长度、冷却系统、刚度与强度以及炮口设计等。
火炮设计理论(火炮系统分析与总体设计)
1.2 系统分析的要素
（1）目标：系统分析的主要任务和目标必须明确； （2）方案：系统分析的目的是选择优化方案，必须进行多方案比较； （3）模型：系统分析确定的是各种方案的可比性能， 必须建立抽象的模型并进行参数量化； （4）准则：系统分析的过程是选优过程，必须实现制定优劣评判标准； （5）结果：系统分析的结果是得到最优方案； （6）建议：系统分析的最终结果是提出建议，作为决策者的参考意见。
§6.1 火炮战术技术指标
紧急逃生能力，主要是火炮应具备防火、灭火、抑爆、逃生的功能。 遭敌攻击的一次或二次效应都可能引发火情，特别是在自行火炮的驾驶 舱、战斗舱内，由于空间狭小、易燃易爆物集中，因而必须有较完善的 火情报警、自动灭火系统和消防器材；在设计时采用隔舱化的结构，弹 药舱具有抑爆的技术措施；在结构设计时应使各乘员具有迅速、安全紧 急逃生的功能。 迅速脱离战斗的能力，主要是指为了防止敌方火力及突袭，火炮应具 备迅速转移的能力。当今侦察手段越来越先进，只要火炮一开火就能迅 速确定炮位的坐标并实施反击，因而要能在反击的炮火到达前迅速撤出 到敌炮火威力范围以外的地域，例如美国正在研制的155mm自行榴弹炮， 要求具备在90秒内急速行驶750m。装备有施放烟幕的系统，形成足够宽 度、高度、厚度、浓度并持续一定时间的的烟幕，以便自行火炮在烟幕 的掩蔽下迅速脱离战斗。 电子战、信息战的能力，主要是为了对抗精确制导火炮的攻击，火 炮要求具备电磁干扰的能力，或发射诱饵进行误导、迷盲等。
火炮设计理论
§5.6 自行火炮炮塔设计
2 炮塔总体设计 炮塔总体设计的原则
炮塔分系统总体设计以成熟技术为基础，按照通用化、系列化、标 准化原则，根据国内现有技术水平和发展潜力，重点突出总体性能，以提 高系统可靠性、维修性、保障性为目标，使系统的操作性、舒适性、匹配 性和总体性能满足使用要求和技术指标要求。
炮塔总体布置及总体设计
§5.6 自行火炮炮塔设计
3 自行火炮炮塔主要部件设计
3.1 炮塔体的设计 炮塔体的结构设计
炮塔体的功能，主要是安装火炮搭载乘员，弹药为各种配套设备提供 支座并承受各种负载，同时为乘员，弹药及设备提供一定的防护。炮塔与 吊蓝一起构成战斗乘员的活动空间。 自行火炮的炮塔一般为薄壳体，一般在炮塔内部焊接U型加强筋，形 成框架结构，以保证炮塔的刚强度要求。 炮塔体一般为锥台形或多面体焊接结构，炮塔前方左右两侧的护板与 托架的结构焊成一体，其上连接座圈和吊篮等。 减重是炮塔体设计中应充分注意的另一个问题。减重是以满足强度和 刚度为前提的。 炮塔外型尺寸以总体布局紧凑为原则。
炮塔防护设计
防护系统以提高自行火炮在现代战争条件下的战场生存能力为目的，主 要从炮塔装甲结构、目标特征、灭火抑爆等方面采取有效措施。 ①炮塔装甲防护 一般采用装甲钢板焊接结构，优化设计炮塔外形，满足在100~200m距离 上防7.62mm普通枪弹。某自行火炮的炮塔装甲防护结构如下表所示。 炮塔装甲防护结构 项目 正面 前侧 侧面 背面 顶部 装甲板厚度（mm） 法向角（o） 等钢厚度（mm） 12 25 14 12 20 13.5 10 10 10.9 8 0 8 8 0 8
托架的刚强度分析
托架的强度和刚度计算，是分析射击时，托架上所受的主要力，以及在这 些力的作用下，托架内应力、变形，校核托架的强度和刚度是否满足 要求。一般采用有限元理论进行上述分析。下图是某自行火炮的托架 有限元分析模型以及结果。
火炮设计理论
M2A1-105L制退复进机
§3.2 反后坐装置的结构分析
(2)活门式制退复进机 结构特点 59-100G制退复进机由外筒,内筒,制退杆,游动 活塞和活门等组成. 工作原理 制退活塞推动液体,压开弹簧控制的活门,流入外 筒,推动游动活塞压缩气体. 性能特点 活门的开度取决于弹簧力和活门两侧的压力差,由 于具有自动调节的适应性,故后坐阻力较平缓.
2.2 制退机结构分析 (1)带沟槽式复进节制器的节制杆式制退机 工作原理 后坐:主流由Ⅰ腔经流液孔到Ⅱ腔,Ⅱ腔有真空; 支流由Ⅰ腔到Ⅲ腔(复进节制腔). 复进:Ⅲ腔液流经复进节制沟槽流回Ⅰ腔; Ⅱ腔真空逐渐消失,液流流回Ⅰ腔. 复进全程制动. 结构特点 60-122J制退杆内径大于节制环孔径,Ⅲ腔容易充 满,但拆装较麻烦.
59-57G制退机
§3.2 反后坐装置的结构分析
(3)混合的节制杆式制退机 结构特点 54-122L制退机的复进节制沟槽开在制退筒内壁, 制退活塞外套有游动活塞,制退杆内腔通过节制杆 内孔与Ⅱ腔相通. 工作原理 后坐:Ⅰ腔液流推动游动活塞,打开制退活塞上的 斜孔,同时从斜孔和沟槽进入Ⅱ腔,Ⅲ腔不充满. 复进:Ⅱ腔真空消失前复进基本无制动.真空消失 后液流推动游动活塞关闭斜孔,从沟槽流回Ⅰ腔. 复进局部行程制动.
火炮设计理论
主讲: 主讲:张相炎 教授
南京理工大学火炮教研室
联系电话: 联系电话:84315581
§3.2 反后坐装置的结构分析
1 复进机的类型和结构分析 1.1 复进机分类 弹簧式 液体气压式 气压式 气压式 火药气体式 液体式 杆后坐 筒后坐
§3.2 反后坐装置的结构分析
1.2 复进机结构分析 (1) 弹簧式复进机 工作介质 弹簧储能 59-57G复进机 安装形式 套在身管外或套在制退机外 弹簧截面 圆形或矩形 性能特点 结构简单,动作可靠,不受温度影响,维护简单方 便;但重量大,长期使用易疲劳.
火炮设计理论(炮身设计)
§2.1 概述
2.1.3 导向部（膛线部） 导向部 膛线 右旋膛线 左旋膛线 膛线的作用
§2.1 概述
膛线的结构：
阳线 阳线宽 阴线 阴线宽 根部园角 膛线深 深膛线 浅膛线 渐紧膛 线 膛线条数 导转侧
t
a
b
d
§2.1 概述
缠角 等齐膛线 渐速膛线 混合膛线 缠度
α
L=η d
tg
πd
③膛线起始部磨损量超过规定值。 ④膛压下降致使一定数量（30%）的弹丸不能解脱引信保险 或造成连续瞎火等。 ⑤弹带削光或出现横弹、近炸、早炸等。 疲劳寿命 一般身管的疲劳寿命大于烧蚀寿命。
§2.1 概述 4.4 提高身管寿命的主要措施 （1）采用高能、低温、低烧蚀的发射药。 （2）采用大药室、低膛压发射。 （3）装药中加入缓蚀剂。 （4）加强身管散热（冷却等）。 （5）加强内膛表面处理（镀铬等耐蚀、耐磨覆层）。 （6）改进弹丸弹带结构和材料。 （7）改进身管材料（高强度）。 （8）改进身管制造工艺（自紧，活动衬管等）。
1.4 身管的分类 （1）按内膛结构分
线膛
滑膛
§2.1 概述
（2）按身管结构分
单筒身管 活动身管
紧固身管（筒紧、丝紧、自紧、复合材料身管）
§2.1 概述
1.5 对炮身的战术技术要求 足够的强度； 足够的刚度； 足够的寿命； 满足总体要求； 满足材料要求。
§2.1 概述
1.6 炮身设计的主要内容 1）结构设计： (1)身管内膛结构设计 (2)身管外部结构设计 (3)炮尾炮闩结构设计 2）强度设计
§2.1 概述
后效期
FRT 1 Sp g
后效期的炮膛合力
F pt Ft Fk FRT
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F
pt
FR
§2.1 概述
扭矩
切向分力
Ft N cos f sin
扭矩
M hz nFt
d t 2
1 2
nN cos f sin d t
§2.1 概述
3.2 设计压力曲线
设计压力曲线：又称作用压力曲线，是指在发射条 件下，身管各截面所承受的最大压力沿炮膛轴线方向所 构成的曲线。它是身管强度设计的基本依据。
谢谢！ 下次见！
§2.1 概述
炮尾结构外形 圆形结构； 方形结构。 炮尾与炮闩结合情况 楔式（横楔式、立楔式等） 螺式（连续螺纹、断隔螺纹、阶梯断隔螺纹）等。
§2.1 概述
2.3.2 炮闩 炮闩 非自动炮闩； 半自动炮闩； 自动炮闩。 纵动式炮闩； 横动式炮闩； 起落式炮闩； 摆式炮闩等。 楔式（横楔式、立楔式）炮闩； 螺式炮闩（连续螺纹、断隔螺纹、阶梯断隔螺纹）等。
§2.1 概述
2.1.3 导向部（膛线部） 导向部 膛线 右旋膛线 左旋膛线 膛线的作用
§2.1 概述
膛线的结构：
阳线 阳线宽 阴线 阴线宽 根部园角 膛线深 深膛线 浅膛线 渐紧膛 线 膛线条数 导转侧
t
a
b
d
§2.1 概述
缠角 等齐膛线 渐速膛线 混合膛线 缠度
α
L=η d
tg
πd
1.4 身管的分类 （1）按内膛结构分
线膛
滑膛
§2.1 概述
（2）按身管结构分
单筒身管 活动身管
紧固身管（筒紧、丝紧、自紧、复合材料身管）
§2.1 概述
1.5 对炮身的战术技术要求 足够的强度； 足够的刚度； 足够的寿命； 满足总体要求； 满足材料要求。
§2.1 概述
1.6 炮身设计的主要内容 1）结构设计： (1)身管内膛结构设计 (2)身管外部结构设计 (3)炮尾炮闩结构设计 2）强度设计
§2.1 概述
4 身管寿命
4.1 身管寿命 火炮在按规定射击条件射击，身管在丧失要求的功能、 安全性或毁坏之前，所发射的当量全装药炮弹数。 4.2 身管主要失效现象 炸膛； 胀膛； 膛线剥落； 炮膛挂铜。
§2.1 概述
4.3 身管寿命分类
烧蚀寿命 烧蚀寿命终止标准： ①初速下降百分数超过规定值（5%～10%）。一般可以通 过测量药室增长量来评定烧蚀寿命等级。 ②射击密集度超过规定范围（如散布面积超过8倍）。
my 1 p x pd 2 1 md
2 x 1 2 l
my p t p d 1 21 md
p 1 l
l
0
p x dx p d 1 31 q
pt p p d
§2.1 概述
后效期
FRT 1 Sp g
后效期的炮膛合力
F pt Ft Fk FRT
F pt Sp g e
t b
§2.1 概述
后坐阻力
FR F f F FT
惯性力 炮身后坐加速度
a 1 M0
mx
F
pt
FR
惯性力
FJ x M x a Mx M0
§2.1 概述 高低温压力曲线：
p pt m Ap+ 1 5 tm -40 pt m
+50
pd m
+15 B
pd m
+50
A
直线
C
4 pd- m0
pd k
+50
+5 , pd0m ) ( Lm ' +50 +50 C L ,p ) ( k k -40 -40 D L ,p ) p ～L ( k k -40 -40 E Lg , p ) +15 ( g pd k -40 pd- 4k0 D p
§2.1 概述
药包分装式药室： 药包分装式:先装弹丸，再装发射药包。 药包分装式药室: 紧塞园锥 园柱本体 前园锥
紧塞园锥与专用紧塞具想配合，以密闭火药气体； 紧塞园锥的锥角一般为28º ～30º ； 园柱本体取决于药包的结构、尺寸和装药量； 当药室扩大系数较小时，可以省去前园锥。
§2.1 概述
§2.1 概述
平均压力曲线
Lm Lm 2～3d
pm
pg o Ly s Lm L m ' Lg L
平均压力曲线的特点
§2.1 概述
高低温压力曲线： 1）考虑膛内压力分布；
Lm Lm 1.5d
pt m
pd m pd k pd g
o
Ly s Lm L m '
Lk
Lg L
§2.1 概述
§2.1 概述
药筒分装式药室： 适用于药筒分装式炮弹的药室，先装弹丸，再装药筒及 发射药。 药室结构形状由药筒的外形结构形状确定。
药筒分装式药筒有两种结构形式： 一种与定装式药筒相同，仅药筒口部较短； 另一种药筒仅有药筒主体。 对应第一种药筒，药室也与定装式药室相同，仅园柱部 较短； 对应第二种药筒，药室仅由药室主体（基本锥体）和园 柱部组成。
药室设计时应注意如下几点： 弹丸装填到位后，必须保证内弹道设计 所确定的药室容积； 弹丸装填到位后，尽可能保证内弹道设 计所确定的药室长； 保证便于装填和容易抽筒； 工艺性要好。
§2.1 概述
2.1.2 坡膛 坡膛 坡膛的作用 坡膛的锥度 两段园锥组成的坡膛
1 5～ 10
1 10 1 30～ 60
§2.1 概述
2.2 身管的外部结构设计 首先满足强度要求 在此基础上满足其他要求： 身管与其他零部件可靠，拆装方便； 身管外形要满足炮身后坐复进导向要求； 满足总体对重量和质心的要求； 身管要有足够的刚度； 身管更换要方便； 外形工艺性要好。
§2.1 概述
2.3 炮尾炮闩的结构设计
2.3.1 炮尾 炮尾 炮尾与身管的连接关系： 炮尾与身管制成一体； 炮尾与身管被筒制成一体； 炮尾与身管由螺纹连接； 炮尾与身管通过连接筒连接。
直线
+ , p5 0m ) (0 t
B
+50
包络
-40
d
dg E
o
高低温压力曲线的特点
pd g
+50
pd g
+15
Lg L
§2.1 概述
3.3 强度设计 应用弹塑性理论和强度理论； 在给定膛压作用力下，确定满足强度要求的最小尺 寸的结构； 或在给定尺寸条件下，确定满足强度要求所能承受 的最大膛压。
③膛线起始部磨损量超过规定值。 ④膛压下降致使一定数量（30%）的弹丸不能解脱引信保险 或造成连续瞎火等。 ⑤弹带削光或出现横弹、近炸、早炸等。 疲劳寿命 一般身管的疲劳寿命大于烧蚀寿命。
§2.1 概述 4.4 提高身管寿命的主要措施 （1）采用高能、低温、低烧蚀的发射药。 （2）采用大药室、低膛压发射。 （3）装药中加入缓蚀剂。 （4）加强身管散热（冷却等）。 （5）加强内膛表面处理（镀铬等耐蚀、耐磨覆层）。 （6）改进弹丸弹带结构和材料。 （7）改进身管材料（高强度）。 （8）改进身管制造工艺（自紧，活动衬管等）。
§2.1 概述
2 炮身的结构设计 2.1 内膛结构
药室部 坡膛
导向部
§2.1 概述
2 炮身的结构设计 2.1 内膛结构
2.2.1 药室： 发射前容纳/承装发射药(及药筒)；击发后提供火药正 常燃烧空间的炮膛部分。 药室容积由内弹道设计确定，药室结构形状取决于炮弹 结构及装填方式等。 药室分为药筒定装式药室、药筒分装式药室、药包分装 式药室。
§2.1 概述 3 炮身的强度设计
3.1 发射时炮身受力 （1）径向作用力 （2）轴向作用力
p,F
o
l
§2.1 概述
炮膛合力 膛内时期
Ft S t pt
Fk S t S pt
Fz nN sin f cos
dt pt d
F pt Ft Fz
F pt 1 1 my 1 Sp 2 md
火炮设计理论
主讲：张相炎 教授
南京理工大学火炮教研室
联系电话：84315581
第二章 炮身设计
§2.1 概述
1 炮身 1.1 炮身 1.2 炮身的作用 1.3 炮身的组成 完成炮弹的装填和发射，并赋予弹丸 初速和方向的火炮主要部件。 承受火药气体压力，引导 弹丸运动。 炮尾
身管
炮闩
炮口装置
§2.1 概述
§2.1 概述
药筒定装式药室： 适用于定装式或半定装式炮弹的药室。 药室结构形状与药筒的外形结构形状基本一致。 药筒定装式药室组成： 药室主体（1/40～1/120） 连接锥体（1/5～1/10） 园柱部（锥度很小） 药室与药筒之间存在一定间隙 间隙的大小取决于药筒的强度 一般药室底部径向间隙为0.35mm～0.37mm 连接锥体径向间隙为0.2mm～0.8mm 园柱部径向间隙为0.2mm～0.5mm 对药室具有严格的尺寸和形状以及公差、表面加工质 量要求，加工过程中要严格控制和检查。
2）考虑环境温度影响： 标准温度（常温）：+15℃ 高温：+50℃ 低温：-40℃ 温差：Δt=t-15℃ 压力全冲量修正：I’k=Ik(1-mIkΔt) 火药的燃烧速度修正：u’1=u1/I’k 根据修正后的火药的燃烧速度，可以分别计算出常温 压力曲线、高温压力曲线、低温压力曲线，取其包络线， 即得出高低温压力曲线。