火炮设计理论
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
火炮内弹道设计
火炮内弹道设计火炮内弹道设计1 绪论内弹道（internal ballistics）是弹道的一部分，内弹道研究弹丸从点火到离开发射器身管的行为。
内弹道学研究对各种身管武器都有重要意义。
击发方法：任何类型的身管武器第一步需要击发火药。
最早的枪支、大炮由一个一端密封的金属管组成。
1.1 内弹道学研究对象内弹道学是研究发射过程中枪炮膛内及火箭发动机内的火药燃烧、物质流动、能量转换、弹体运动和其它有关现象及其规律的弹道学分支学科。
燃烧的发射药产生具有很高压力的气体，使弹丸加速穿过炮膛，直到以预定初速离开炮口。
初速是具有一定质量和形状的弹丸最终要达到的整个射程的基础。
在设计火炮时必须进行计算以保证最正常、最有效地产生所需要的初速。
发射装药产生的能量用于完成好几种工作。
大部分能量用于赋予弹丸速度。
能量还消耗在做下述功上：使弹丸旋转，克服弹丸与膛壁之间的摩擦力，使发射药和发射药气体在膛内运动以及使火炮后坐部分后坐。
有些能量还以热能的形式损失在身管、炮尾、弹丸和药筒（如果使用药筒的话）上。
发射过程都是从点火开始，通过机械击发、电热或其他方式将点火药点燃，所产生的高温气体及灼热粒子再点燃火药装药，迅即扩展到整个装药表面，并同时沿着药粒厚度向内层燃烧。
燃烧进行在一个封闭的空间中，这个空间前由弹丸的弹带封闭，后有火炮所采用的紧塞装置封闭，紧塞装置用于防止火药气体从后面逸出。
在发射药气体的压力达到能使弹丸运动的程度之前，发射药的燃烧速度与膛压增加的速度是成正比例的。
所谓“弹丸启动压力”就是指使弹丸开始向前运动的压力。
当弹丸沿身管向前运动时，供发射药气体占用的空间增大，因此膛压的增加速度减小。
当空间增加所导致的压力的增加相等时，膛压达到最大值。
自此以后膛压开始下降，同时弹丸却在继续加速，甚至在发射药全部燃尽后弹丸仍在继续加速，只是加速度逐渐减小，弹丸一出炮口即变为减速。
下图说明膛内压力、弹丸膛内行程和弹丸速度间的关系。
内弹道学的研究对象，主要是有关点火药和火药的热化学性质，点火和火药燃烧的机理及规律；有关枪炮膛内火药燃气与固体药粒的混合流动现象，有关弹带嵌进膛线的受力变形现象，弹丸和枪炮身的运动现象；有关能量转换、传递的热力学现象和火药燃气与膛壁之间的热传导现象等。
火炮设计理论(火炮系统分析与总体设计)
Hale Waihona Puke §6.1 火炮战术技术指标射击密集度主要取决于火炮自身的弹道与结构性能、力学特性等。 射击准确度是指平均弹着点对预期命中点的偏离程度。射击精度越 高，对目标毁伤的概率就越大。 射击准确度主要取决于射手操作火炮的熟练程度，以及火炮系统有 关仪表设备的状况。 精确制导弹药就是通过在弹药系统中引入制导技术，排除了人工操 作和射弹散布的偏差，极大地提高火炮与自动火炮的射击精度。
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
§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。
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
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。
火炮设计理论教学新体系探索
１２８。
［４］李海燕 ，汤杰 ，张谊 ，杨 佩 兰．ＣＢＳ结合 ＰＢＬ教 学法在 呼吸 内
科 临床 教 学中的应 用ｆＪ］．卫生职业教 育 ，２０１４，３２（７）：７５—７６．
【５】樊娟 ，刘俐．改 良 ＰＢＬ教 学法结合 ＰＡＣＳ在 消化 内科 大专护
生教学查房 中的应 用『Ｊ】．现代 医药卫生 ，２０１７，３３（１３）．
· １２４·
新校 园
自然科 学
也 不符合 军工 专业 本科 教育 “宽 口径 、厚 基础 、能力 强 、素 质 式下 ，教师指导学生 参与到课题研究 中，针对某型火炮反后 坐
总第 ４８６期
自然 科学
火炮设计理论教学新体 系探索
刘 宁 张相 炎 杨 国来
（南京理工大学机械 工程学院，江苏 南京 ２１００９４）
摘 要 ：火炮设计理论 采用传统的教 学模 式 已不能适应 新时期的 需求。本文构 建以研 究型教 学模 式为理念 的教 学新体 系， 阐述 了具体 实施 方法和 目的 ，通 过新教 学模 式培养 了学生研 究性 学 习习惯 ，激发 学生的 学习主动性 ，有效锻炼 了学生 的研 究 能力和创新精神 ，提 高了火炮设计理论 的教 学效果 。
三结合 ，进而培 养综合 素质 高 、专业 面宽广 、创 新设计 能力 强 的火炮专业复合 型人 才。
一 、 传统教学模式 火炮不 同于其他机械 系统 ，其工作状态一般 处 于高温 、高 压 、高速 的极端条件 ，相应 的设计理论 也有别 于传 统机械 系 统 ，具有专业性强 、理论难度大 、知识 点多的特点 。传统 的火 炮 专业 系列课 程 的教学模 式是 以课 堂教 学为主 ，教学实验 、课 后 作业则 为课 堂讲授 内容 服务 ，课程考 核一般采取 卷面考核 为 主 的方式 ，主要考查学生 对书本知识 的掌握 程度 。因此 ，传 统 的教 学模式 是单 纯 的知 识传授 ，足 教 师的“灌输式 教学 ”和学 生 的“接受式 学习 ”，不利 于学生创新意识 和实践能力 的提高 ，
火炮设计理论范文
火炮设计理论范文火炮是一种重要的军事装备，广泛用于战争和防御中。
它具有远程射击、高杀伤力和精确命中目标的特点。
火炮的设计理论包括枪管设计、炮弹设计、炮架设计和火控系统设计等多个方面，下面将对火炮设计的几个关键理论进行介绍。
首先，枪管设计是火炮设计中的核心。
枪管的设计直接影响到火炮的射程、精确度和杀伤力。
好的枪管设计需要考虑材料选择、内径和膛线设计以及冷却系统等因素。
材料选择一般选择耐高温、耐磨损和耐腐蚀的合金钢。
内径的选择通常由炮弹直径决定，直径越大炮弹的杀伤力越高。
膛线设计会影响到炮弹的旋转稳定性，一般采用螺旋形状的膛线来增加稳定性。
冷却系统可以通过导热材料和冷却液来降低枪管温度，延长使用寿命。
其次，炮弹设计是火炮设计中的另一个重要方面。
炮弹的设计直接关系到火炮的杀伤力和射程。
炮弹一般由弹头、装药和外壳组成。
弹头的设计需要考虑杀伤方式和杀伤范围。
常见的弹头设计包括杀伤型、爆炸型和杀伤爆炸型。
装药的设计需要考虑到炮弹的射程和速度。
外壳的设计需要考虑到炮弹的强度和密封性。
炮弹的设计需要根据具体的火炮型号和使用环境进行优化。
此外，炮架设计是火炮设计中的另一个重要方面。
炮架的设计需要考虑到火炮的稳定性和可操作性。
稳定性可以通过合理的重心设计和支撑系统来实现。
可操作性可以通过合适的重量和尺寸，以及方便易用的操作系统来实现。
炮架的设计还需要考虑到抗震性和耐久性等因素，以确保火炮在恶劣环境中的可靠性和稳定性。
最后，火控系统设计是火炮设计中的一个关键方面。
火控系统的设计需要考虑到火炮的瞄准精度和射击控制。
瞄准精度可以通过合适的瞄准装置和精确的瞄准算法来实现。
射击控制可以通过火炮与指挥中心的信息传输和处理系统来实现。
现代火控系统还可以利用雷达、卫星定位和电子光学技术来提高射击精度和命中率。
总结起来，火炮设计理论包括枪管设计、炮弹设计、炮架设计和火控系统设计等多个方面。
好的火炮设计可以提高火炮的射程、杀伤力和精确度。
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。
火炮设计理论(绪论)
火炮在战争中的地位：
第二次世界大战中火炮被誉为“战争之神”。 现代战场上常规武器的火力骨干 。 未来战争仍不可替代。
§1.1火炮的地位与作用
火炮的作用：
现代火炮配置于地面、空中、水上各种运载 平台上。 进攻时用于摧毁敌方的防御设施，杀伤有生 力量，毁伤装甲车辆和空中飞行物等运动目标， 压制敌方的火力，实施纵深火力支援，为后续部 队开辟进攻通道。 防御时用于构成密集的火力网，阻拦敌方从 空中、地面的进攻，对敌方的火力进行反压制； 在国土防御中用于驻守重要设施，进出通道及海 防大门。
火炮设计理论主要包括：
1）火炮系统分析 2）火炮总体设计 3）火炮主要零部件设计
§1.2 火炮设计理论的主要内容
火炮设计理论的发展：
1）经典火炮设计理论； 2）火炮现代设计方法； 3）向新的领域拓展。
§1.3 火炮设计理论的主要研究方法
火炮设计理论的主要研究方法：
1）经验研究法 2）实验研究法 3）理论研究法
简单实用，但 有一定局限性 或主观性。
真实性强，但费 时费事费钱，有 时有危险。 简单，但精确性取决 于对系统及过程的理 解程度。
§1.4 学习火炮设计理论的基本要求与方法
火炮设计理论的地位与作用：
1）火炮设计理论是火炮工程实践的理论依据； 2）火炮设计理论是火炮工程技术人员必须掌握的基础； 3）火炮设计理论是火炮专业的必修专业课。
§1.2 火炮设计理论的主要内容 火炮设计理论：
1）火炮设计的理论基础； 2）火炮设计中基本概念、理论、方法及过程的高度概括。
火炮设计理论的研究内容：
1）火炮系统的组成与性能评价； 2）各种火炮发射原理、伴随现象及其规律性； 3）火炮构成原理与方法； 4）火炮主要零部件的设计理论和设计方法等。
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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§2.3 双层身管设计
2.4 筒紧身管的强度极限 （1）筒紧身管的弹性强度极限 筒紧身管的弹性强度极限是内外筒材料同时达到各自的比 例极限所能承受的极限内压，即筒紧身管的内外层材料都不 产生塑性变形所能承受的最大膛内压力。 如果以Eεt1为设计依据，则在P1的作用下
E t1 P1
E t 2 P 2
§2.3 双层身管设计
2）筒紧身管的弹性强度极限 内筒相当于一个内径为r1，外径为r2的单筒身管，它在外 压P2的作用下所能承受的最大内压P1 ，就是筒紧身管的弹 性强度极限。
P1 Eε t1
2r22 2 2r22 r12 E t1 p1 2 p2 2 3 r2 r12 r2 r12
§2.3 双层身管设计
（2）制造压力
2 2 2 2 1 2 2r2 r r12 2 r 2r1 r22 t ( p1 2 2 2 p2 2 2 2 ) E 3 r2 r1 r 3 r2 r1 r
设p2’为内外筒过盈套合后在配合表面产生的径向压力（即 制造压力）。仅在p2’的作用下，内管外表面的切向应变为
2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2
2 1 2 1
2r22 : 'P P p2 2 2 r2 r1
r1、r2、σp相同时， p2 的存在→σp ＜σ’p 即：p2 ↑→Eε t1 ↓ → P1Ⅱ ↑＝＞σ’p ↑
§2.3 双层身管设计
2r22 2 2r22 r12 E t1 p1 2 p2 2 2 3 r2 r1 r2 r12
§2.3 双层身管设计 2 筒紧身管设计特点
2.1 筒紧身管 由两层或多层园筒过盈套合组成的身管称为筒紧身管，也 称层成或紧箍身管。 加工时，外筒内径略小于内筒外径，形成过盈配合； 外筒加热膨胀，套在内筒上； 冷却后，外筒受拉，内筒受压，外筒对内筒 产生外压，提高内筒强度。
§2.3 双层身管设计
r32 r 2 r p" p r r32 r12
2 1 1 2
r12 r32 r22 p"2 p1 2 2 2 r2 r3 r1
2 2 r12 2r3 r 2 E " t p1 2 2 3 r r3 r12
§2.3 双层身管设计
（5）合成应力
在工作压力p1作用下，考虑制造应力，实际为合成应力 （内筒受内压p1 ，及外压p’2 + p”2 ，同时外筒受内压p’2 + p”2 ；或内筒受外压p’2 ，外筒受内压p’2 ，同时内外筒受内 压p1）。
t
C2 C1 2 r
3 3 p | E r | E t t 4 4
以|Eεr1|或Eεt1为设计依据都一样。
C2 1 3 E t 2 C1 4 2 r C2 1 3 | E r | 2 C1 4 2 r
在极限的情况下
| E t1 | P1
3 p1 P1 4
1）外筒的弹性强度极限 外筒相当于一个内径为r2，外径为r3的单筒身管，它能 承受的最大内压P2称为外筒的弹性强度极限。
2r22 2 2r22 r12 E t1 p1 2 p2 2 2 3 r2 r1 r2 r12
r32 r22 3 P2 P 2 2 2 2 2r3 r2
相对紧缩量的大小取决于套合工艺和身管设计的要求。 为了保证套合方便，筒紧炮身采用的相对紧缩量：
0.001 0.0025
§2.3 双层身管设计
2.3 筒紧身管应力分析 （1）补充假设 1）内外筒间没有相对滑动，两筒之间仅传递法向作用力； 2）可以应用力的独立作用原理； 3）忽略轴向应力； 4）可以采用名义尺寸计算。 分析的思路是： 先研究套合后的应力、应变规律； 然后讨论仅由发射时内压产生的应力、应变规律； 最后将以上两种情况，利用力的独立作用原理，叠加得 出发射时筒紧身管总的应力、应变规律。
p1r12 p2 r22 C1 r22 r12
p C2 C1 2 r
t
C2 C1 2 r
3 在极限的情况下 | E t1 | P1 p1 P1 4 2
2）当C1＜0时，
r1 p 2 p1 2 r2
C2 1 3 E t 2 C1 4 2 r C2 1 3 | E r | 2 C1 4 2 r
即：制造压力与配合面的相对紧缩量成正比。
§2.3 双层身管设计
（3）制造应力
2 2 2 2 1 2 2r2 r r12 2 r 2r1 r22 t ( p1 2 2 2 p2 2 2 2 ) E 3 r2 r1 r 3 r2 r1 r
在p2’作用下，内、外筒壁内的应力（残余应力、人工应力、 预应力）： 2 2 2 2 r22 r r1 r22 r r1 p' p' 2 2 2 内筒受外压p2’ ' t p' 2 r 2 r 2 r 2 r r r2
§2.3 双层身管设计
外压对身管弹性强度极限的影响（第二强度理论）
2r22 2 2r22 r12 E t1 p1 2 p2 2 2 3 r2 r1 r2 r12
3 r r 3r 3 r r P II P p2 2 2 ' P 1 2 2r r 2r2 r1 2 2r r
3 3 p | E r | E t t 4 4 以|Eεr1|为设计依据。 在极限的情况下
| E r1 | P1
3 p1 P1 4
§2.3 双层身管设计
3）当C1=0时，
p1r12 p2 r22 C1 r22 r12
p C2 C1 2 r
r12 p 2 p1 2 r2
E t 2
2r12 r22 2r12 2 p1 2 p2 2 2 r2 r1 3 r2 r12
2 2
2 2 2r (r2 2r12 ) 3 即：p2 ↑→Eε t2 ↓ 、Eε t1 ↓ ↓ ＝＞ Eε t ↓并均匀化
提供外压的途径： （1）直接外压； （2）层间加压 →充液; （3）缠绕 →丝紧、复合材料; （4）过盈 →筒紧。
p p' p"
E t E ' t E " t
§2.3 双层身管设计
（6）最大应力 对于单筒身管来说，最大主应变是内表面的切向应变， 因此以内表面的切向相当应力作为设计依据。但是对于筒 紧身管，由于其内管存在着外压p’2 的作用，因此很难判断 出最大主应变。为此须研究厚壁圆筒以积分常数C1 、C2 表 示的各应力公式。略去轴向应力得 C2 p 2 C1 r
2 1 2 1
2 3 2 3 2 2 2 2
2 2 2 2
p2 2(
3 1 r 2r 1 2r r ) E r r E2 r r
2 2 2 1 2 2 3 2 3 2 2 2 2
2
当E1=E2=E时，
(r32 r22 )( r22 r12 ) p2 E 2 2r22 (r32 r12 )
r22 2r12 2 t21 p2 2 3E1 r2 r12 2r32 r22 2 t22 p2 2 外筒内表面的切向应变 2
2 | t21 | t22
2 2 2 2 2 2 2 2 1 2
3E 2
r3 r2
2 1 2 1
2 r 2r 2r r 2 p p2 3E1 r r 3E 2 r r 2 1 r 2r12 1 2r32 r p2 ( ) 3 E r r12 E 2 r32 r
r
切向应变
轴向应变
AB AB ( dr du ) dr du AB dr dr A' A' 2 ( r u ) AA 2r
A' A' AA 2 ( r u ) 2r u t AA 2r r C' D' dz w dw w dz dw CD dz
2 1 2 1
2 2 r22 r 2r1 2 E r p 2 2 2 3 r r2 r12 2 2 r22 r 2r1 2 E t p 2 2 2 0 2 3 r r2 r1
外筒受内压p2’
' t p' 2
r r r r r32 r22
r32 r22 2r22 T 1 E t1 p' 2 2 E 2 2 2 r2 r1 r3 r12
(r32 r22 )(r22 r12 ) p2 E 2 2r22 (r32 r12 )
§2.3 双层身管设计
（4）发射时的附加应力 在工作压力p1独立作用下，内外筒组成的单筒（内径r1 ， 外径r3 ）壁内的应力：
C ' D'CD ( dz dw) dz dw z CD dz dz
§2.3 双层身管设计
u 21 t21 r2
u 22 t22 r2
为内管外表面和外筒内表面由于过盈配合而产生的切向 应变（称为制造切向应变），则
2 | t21 | t22
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
§2.3 双层身管设计
1 引言 提高单筒身管的弹性强度极限： 1)增加身管的壁厚： 单筒身管的内外壁应力分布不均匀 →当壁厚增加到一定程度时→ 身管的重量↑↑ →身管的弹性强度极限↑， 但趋向一个极限值。 2)提高材料的强度类别: 提高材料强度→韧性下降↓ →合金元素的含量增多→加工困难 →经济性差 3)其他方法？
q2 u 21 u 22 u 21 u 22 2 2(| | ) | | d2 d2 d2 r2 r2