火炮设计理论.课件

1、火炮设计理论 南京理工大学火炮教研室主讲：张相炎 教授联系电话：843155812.4 自紧身管设计 1 自紧身管1.1 自紧身管 筒紧身管壁内的应力分布均匀提高身管的强度。 多层筒紧层数越多 应力分布越均匀 强度也越高 加工困难。 筒紧是一种工艺方法 一种新的工艺方法自紧身管 自紧身管：经自紧工艺处理的身管,也称为自增强身管。1.2 自紧原理 制造时对其内膛施以高压，使内壁产生塑性变形。 内压去除以后，在内壁产生与发射时符号相反的残余应力。 发射时，发射工作压力产生的应力与自紧残余应力相迭加，使身管壁内应力趋于均匀一致，提高身管强度。 自紧原理：制造施压塑变；卸载残余应力；发射应力均匀。1.

2、3 自紧身管的特点（1）提高身管的强度；（2）可节省大量合金元素；（3）对提高身管寿命有利；（4）及时发现和排除毛坯中的疵病。 2.4 自紧身管设计 1.4 自紧工艺 自紧工艺有三种：液压自紧法，挤扩法（亦称机械自紧法），爆炸自紧法。 （1）液压自紧 开式 闭式 （2）挤扩自紧（机械自紧） （3）爆炸自紧2.4 自紧身管设计 TTTT2 自紧身管应力分析 由于自紧身管产生比较大的塑性变形，因此采用材料的屈服强度极限，并采用第三或第四强度理论。这里我们采用第三强度理论，即最大剪应力理论，其强度条件为：对火炮身管，1=t，3=r=-p ，因此式中，2m称为第三强度理论的相当应力。2.4 自紧身管设

3、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（3）不考虑轴向应力的作用。2.4 自紧身管设计 2.2 自紧时的应力 设：在自紧压力P1作用下，身管从内表面开始出现塑性变形，并且最终塑性区半径达到(r1r2) ，则身管壁内分为塑性区(r=r1 )和弹性区(r=r2)。 （1）弹性区 弹性区相当一个单筒身管，其内径为，外径为r2 ，在半径处的径向压力p，即为弹性区的弹性强度极限，采用第三强度理论时弹性区内径向应力（压力）弹性区内的切向应力弹性区内按第三强度理论的相当应力

4、2.4 自紧身管设计 （2）塑性区 在塑性区内各点的相当应力均为屈服强度，即切向应力半弹性状态自紧时的内压2.4 自紧身管设计 （3）全塑性状态：=r22.4 自紧身管设计 （4）第四强度理论的自紧压力 采用第四强度理论也可以导出自紧时的压力 对半弹性状态对全塑性状态 实际身管材料存在一定的强化现象，通过自紧生产实践得出全塑性状态的自紧身管的自紧压力可用如下经验公式表示：半弹性状态2.4 自紧身管设计 （5）说明1）的影响W全塑状态全弹状态2）W2的影响2.4 自紧身管设计 W2Z提高强度越明显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

5、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。2.4 自紧身管设计 其中p”为附加压力，即把身管看成单筒身管（弹性园筒）时，在自紧内压P1作用下，身管壁内所产生的径向压力；p为自紧制造时身管壁内的径向压力；p为卸载后身管内的残余径向压力。其中”t为附加切向应力，即把身管看成单筒身管(弹性园筒)时，在自紧内压P1

6、作用下，身管壁内所产生的切向应力；t为自紧制造时身管壁内的切向应力；t为卸载后身管内的残余切向压力。2.4 自紧身管设计 （1）附加应力相当在自紧压力P1作用下，单筒身管（弹性园筒）壁内形成的附加径向应力p”和附加切向应力”t2.4 自紧身管设计 （2）残余应力1）弹性区2.4 自紧身管设计 2）塑性区2.4 自紧身管设计 2.4 自紧身管设计 2.4 发射时的应力 发射前，身管壁内存在残余应力。发射时身管在内压p1作用下，在身管壁内形成新的附加剪应力2”和附加径向压力p” ，其值可将自紧身管看成单筒身管：身管壁内的合成应力为弹性区合成相当应力塑性区合成相当应力2.4 自紧身管设计 可以看出合

7、成应力的分布比筒紧身管更趋于均匀一致。为了使自紧身管在发射时塑性区不再进一步增大，要求发射时的内压p1不大于自紧时内压P1，即p1P1时，身管内表面将产生塑性变形，塑性区将逐步扩大。 发射时身管内表面是不允许产生塑性变形的，因此，实际使用时p1P1。2.4 自紧身管设计 希望xdmax最小，令最佳自紧过应变百分比为 2.4 自紧身管设计 过应变百分比（自紧度）2.5 不出现反向屈服的条件 如果自紧身管内壁的残余应力最大值|21|达到材料的屈服强度，则身管内壁将要出现压缩塑性变形，即反向屈服。这样将会引起自紧身管壁内的应力重新分布，身管强度也不能进一步提高。 自紧身管不出现反向屈服的条件是解出不

8、出现反向屈服时的自紧压力不等式的右边即为自紧身管的自紧压力或强度极限的上限。2.4 自紧身管设计 对于全塑自紧身管(=r2)， 这就是全塑自紧身管不产生反向屈服的条件，即身管半径比不能超过2.2（注意，这是由第三强度理论推出的，如用第四强度理论则约为2.0）。此半径比的全塑自紧身管可以比单筒身管的强度提高1倍。2.4 自紧身管设计 由于存在鲍辛格效应，反向压缩的屈服极限s比材料拉伸（自紧过程）屈服极限s要低，因此自紧压力P1也要低。 对全塑自紧身管，内表面实际切向压应力比理论切向压应力低20%40%，因此更容易导致反向屈服。GOTO开式液压自紧 R闭式液压自紧 R挤扩自紧（机械自紧）RR爆炸自

9、紧R鲍辛格效应R材料强化（硬化）现象2.4 自紧身管设计3 自紧身管设计3.1 自紧身管弹性强度极限 自紧身管弹性强度极限是射击时自紧身管不产生新的塑性变形所能承受的最大内压。在不考虑鲍辛格效应时，自紧身管弹性强度极限就等于自紧压力P1。 如果工作压力p1小于自紧压力(弹性强度极限)P1，身管呈弹性状态。 如果工作压力p1大于自紧压力(弹性强度极限)P1，身管内表面出现塑性变形。3.2 自紧身管的一般设计步骤(1) 选择身管材料，即确定了身管材料的s ；(2) 选择毛坯内径r1、外径r2；(3) 选取自紧度；(4) 计算弹塑性区交界面半径(5) 计算自紧时的内压(6) 对身管毛坯进行自紧(7)

10、 按单筒身管的设计方法，计算设计压力曲线，炮膛结构设计和外形设计及调整。2.4 自紧身管设计(8） 强度校核 按自紧身管的实际外形尺寸进行强度校核。由自紧身管的合成应力分布规律可知，自紧身管内表面的合成内压（即径向应力）和弹塑性区交界面上的合成相当应力最大，所以应该对此进行强度校核。1）计算自紧身管内表面的最大合成内压P1s采用第三强度理论采用第四强度理论2.4 自紧身管设计2）计算弹塑性交界面上的合成相当应力xd=2s以上各式中的应为实测值。2.4 自紧身管设计3）计算实际安全系数其中P1*为设计压力 考虑自紧过程和加工等因素的影响，自紧身管的实际弹性极限内压约为理论计算值的75%，自紧身管

11、的安全系数可以取为药室部 n1.38膛线部 n1.2炮口部 n1.82.4 自紧身管设计4 自紧身管加工4.1 自紧时身管外表面应变同内压的关系 自紧时，身管外表面的切向应变值的大小与自紧时的内压有着一定的关系。这种关系是控制自紧参量，检验自紧身管性能的主要依据。一般用测量和控制外表面的切向应变来控制身管的自紧程度。 （1） 弹性加载过程（O A）2.4 自紧身管设计（2）弹塑性加载过程（AB） 弹塑性加载过程，外表面仍处于弹性状态。外表面无外压，不考虑轴向应力影响2.4 自紧身管设计若考虑其他因素影响，进行修正，则以Ks代替s（3）弹性卸载过程（BC）卸载结束时，p1=0，外表面残余切向应变

12、 不考虑反向屈服影响，卸载过程为弹性卸载过程，即OABC。 OA的斜率BC过B点，即BC的直线方程为 由于材料反向屈服特性的影响，实际外表面残余切向应变比理论值要小（BC）。2.4 自紧身管设计4.2 自紧曲线 （1）自紧曲线（2）自紧曲线的测量 （3）自紧曲线的控制 考虑到材料的屈服极限的可能变化，对应s-s 、s、s +s可作三条p1t2 ；考虑到自紧度的可能变化，对应- 、 +可作三条射线；这些曲（直）线围成的面积就给出了自紧控制范围，即对给定的s 、，实际p1t2应在自紧控制范围之内。2.4 自紧身管设计（4）实际自紧参数计算 根据实测的身管外表面最大切向应变t2m可以计算出对应塑性变

13、形半径和自紧度 理论上，自紧身管所能承受的最大内压就是对应自紧度的自紧压力P1 （弹性强度极限），经修正 实际上，考虑到各种因素影响，为了安全起见，一般是根据实测的自紧曲线来确定自紧身管所能承受的最大内压（弹性强度极限）。给定压力P0 (一般为155MPa)，对应自紧曲线上的切向应变为t20，过该切向应变作平行线对应自紧曲线上的压力就作为自紧压力P1。2.4 自紧身管设计4.3 加工对自紧身管弹性强度极限的影响 自紧过程一般是对毛坯，自紧后，将毛坯加工成身管，去掉一层金属，必然引起身管壁内残余应力的重新分布，以及自紧身管的弹性强度极限。 假设加工时及加工后弹塑性交界面的半径不变，并且加工时残余

14、应力的变化过程为弹性的。加工前，身管的内外表面半径为r1、r2，加工后，身管的内外表面半径为r1、r2。（1）加工内表面 当内表面半径r1r1时，加工后内表面上的径向残余应力等于零，相当于在加工表面处作用一个与之大小相等，而方向相反的压力p*1=-p1。塑性区的径向残余应力2.4 自紧身管设计p*1作用下，引起的壁内附加应力加工后，身管壁内剩余残余应力2.4 自紧身管设计加工后，身管壁内塑性区剩余残余应力加工后身管壁内塑性区剩余残余应力与加工前身管壁内塑性区残余应力相比，r1r1 ，对弹性区也有相同结论。即，相应弹性极限2.4 自紧身管设计（2）加工外表面 当外表面半径r2r2时，加工后外表面上的径向残余应力等于零，相当于在加工表面处作用=一个与之大小相等，而方向相反的压力p*2 =- p2 。 弹性区的径向残余应力2.4 自紧身管设计在p*2作用下，引起的壁内附加应力加工后，身管壁内剩余残余应力2.4 自紧身管设计加工后，身管壁内弹性区剩余残余应力，可以导出加工后身管壁内弹性区剩余残余应力与