基于烧蚀磨损理论的某新型高炮内弹道性能预测

以某新型高炮为研究对象,基于火炮烧蚀磨损理论展开内弹道性能预测研究。对现有计算方法进行局部改进,分析火药气体作用下的弹丸膛内运动过程与弹丸受力。建立了身管烧蚀磨损后的内弹道仿真模型。对计算结果进行拟合,分别得到了径向磨损量与炮口相对初速下降量、最大膛压下降量之间的函数关系。     

烧蚀磨损对某大口径自行加榴炮动态响应的影响

为提高大口径自行加榴炮身管寿命和射击精度等总体关键性能指标,以反后坐装置全对称布置且混合膛线的某大口径自行加榴炮为例,研究了火炮身管烧蚀磨损对火炮动态响应的影响。在对内膛测径数据分析的基础上提出了烧蚀身管建模方法。建立了不同烧蚀状态身管有限元模型,在此基础上进行了数值仿真,得到了膛内时期火炮的动态响应,以及膛内时期弹丸导转侧力矩、定心部力、炮口振动随烧蚀磨损的变化关系。分析了烧蚀磨损状态对火炮动力学响应的影响,结果表明,随着烧蚀磨损增大,弹丸的定心部力逐渐增大,炮口振动位移增加不明显,炮口振动速度有所增大。研究结果对该类火炮的总体结构设计具有一定的参考价值。     

身管烧蚀磨损条件下弹体发射强度数值模拟

为研究身管烧蚀磨损对弹体发射强度的影响规律,建立了烧蚀磨损身管与弹丸的弹炮耦合有限元模型和内弹道数学模型。采用内弹道方程与弹炮耦合有限元模型双向求解算法对内弹道方程进行求解,试验与算例的对比结果验证了模型的正确性。以弹丸挤进时刻、最大膛压时刻、弹体与身管碰撞时刻的临界状态应力为表征量,分析了弹体发射强度随身管烧蚀磨损量的变化规律。结果表明,严重磨损工况相对于正常身管工况,前2个临界状态应力值分别降低了19.4%、12.5%,第3个临界状态应力增大了149.2%。由此可知,随着烧蚀磨损量增大,弹丸挤进时刻、最大膛压时刻的临界状态应力对发射强度影响度在降低,而弹丸与身管碰撞临界状态应力成为影响弹体结构发射强度的主要因素。     

高炮初速及身管寿命预测试验研究

高炮要准确射击必须准确确定和修正初速偏差量。火炮初速的改变、寿命的结束与身管的烧蚀和磨损直接相关。通过测量近百根身管的药室增长量和炮膛径向磨损量,挑选出13根径向磨损量有一定间隔的身管,并用这些身管进行了初速试验。试验反映出径向磨损量比药室增长量对初速有更强的相关性。根据不同身管的径向磨损量和初速之间的关系,建立了初速偏差量预测模型和身管剩余寿命公式,取得了初速偏差量误差小于1%的预测精度,该预测方法特别适合于部队作战使用。     

部分切口杆状发射药内弹道性能的数值模拟

为了研究部分切口杆状发射药的装药内弹道性能,基于经典内弹道理论建立了部分切口杆状发射药的装药内弹道计算模型,采用高能硝胺发射药配方的部分切口杆状发射药进行了装药内弹道性能计算,在30 mm火炮上进行了试验验证,并分析了切距、切宽及切深对部分切口杆状发射药内弹道性能的影响。研究结果表明:采用建立的部分切口杆状发射药内弹道模型计算获得的最大膛压为430.2 MPa,与试验测试的最大膛压平均值409.7 MPa的计算误差为5.0%;计算的炮口初速为1378.2 m·s~(-1),与试验测试的炮口初速平均值1409.6 m·s~(-1)的计算误差为2.2%;最大膛压和炮口初速随切距的增大而减小,切距从5 mm增加至50 mm,最大膛压降低了12.0%,初速降低了3.1%,且在切距值大于20 mm后对膛压及初速的影响逐渐降低;最大膛压及炮口初速随切深和切宽数值的增加而增大,切深对最大膛压的影响相较对炮口初速的影响更为显著,切宽数值的变化对内弹道性能的影响总体较小。     

身管内膛参数化模型及其磨损有限元模型的生成方法

为了精确地建立磨损内膛有限元模型,提出分片拼接法,建立身管内膛的参数化实体模型;提出节点偏移法,构建磨损程度不同的内膛有限元模型;通过搭建磨损内膛的弹炮耦合模型,并计及磨损内膛体积增大量,采用热固耦合有限元法分析了火炮内弹道膛压和弹丸初速的退化过程。通过对比仿真结果和实验数据,验证了上述建模方法的正确性。该研究不仅对身管的设计和分析具有参考意义,也可以为火炮内弹道的性能退化提供评估方法。     

基于全膛烧蚀磨损特征的火炮内弹道仿真研究

为提高烧蚀火炮内弹道仿真精度,在文献\[1\]火炮烧蚀内弹道理论基础上,保持火药几何燃烧定律、火药燃速定律和体现起始部膛线烧蚀的弹丸起动压力方程不变,通过对变炮膛截面积、变药室容积、弹后烧蚀容积增量等全膛烧蚀磨损特征的分析和计算,建立体现全膛烧蚀的弹丸运动方程和内弹道基本方程,从而建立烧蚀磨损内弹道模型。借鉴经典内弹道诸元解算方法,导出烧蚀磨损内弹道模型解算方法。以某火炮试验数据为例进行仿真烧蚀磨损内弹道计算,仿真结果表明：初速仿真值与试验值误差为0.9%,能够满足火炮工程实践3%的仿真误差要求;仿真精度优于文献\[1\]的火炮烧蚀内弹道方法,证明了所建立的烧蚀磨损内弹道模型和诸元解算方法是正确的,可用于烧蚀磨损火炮身管寿命预测。     

埋头弹随行装药内弹道性能的数值分析

为研究埋头弹火炮的更优性能,基于2次点火及火药程序燃烧控制技术,建立了埋头弹固体随行装药内弹道零维模型。针对某埋头式榴弹的试验结果进行了数值模拟,获得的初速、膛压变化规律与实测结果相吻合。在此基础上,数值分析了加载随行装药后多参数变化对埋头弹火炮内弹道性能的影响。结果表明,在最大膛压不变的条件下,随行装药可提高炮口初速6%; 随行装药量、燃速系数及点火延迟时间三者合理优化匹配,才能实现最佳的内弹道性能。     

火炮身管烧蚀磨损的灰色预测模型

为了准确地获得火炮身管烧蚀磨损量变化情况,根据火炮在发射过程中的膛内特性,分析了火炮身管的烧蚀磨损规律,利用灰色系统理论,结合灰色Verhulst模型特性,提出了一种火炮身管的烧蚀磨损量的预测模型,并在传统的灰色Verhulst模型基础上进行了预测模型的优化。通过对某型火炮身管烧蚀磨损量的数据验证及对比,证明了优化灰色Verhulst模型的准确性,为火炮在实际应用过程中的身管烧蚀磨损的准确预测及火炮身管寿命的判决提供了一种可行的求解方法。     

基于灰色系统理论的某坦克炮初速修正研究

坦克炮作为直瞄武器,其初速的下降对射击精度影响很大,因此在射击前需要通过火控系统对初速加以修正。通过对目前几种火炮初速的修正方法进行归纳,指出方法的不足之处。提出了基于灰色系统理论的坦克炮初速修正方法,鉴于身管磨损量属于随机振荡序列,需要对模型进行优化,变换处理磨损数据,建立了适用于坦克炮身管磨损量的 GM （1,1）灰色预测模型,通过某型坦克炮试验数据验证了预测模型的准确性,并利用拉格朗日插值的方法计算相应磨损量下的坦克炮初速减退量。     

改性单基发射药内弹道模型

为研究改性单基发射药装药的内弹道特性,基于经典内弹道理论,建立了能够表征改性单基发射药燃烧特征的双气源项内弹道模型,制备了样品并进行了30mm火炮的内弹道试验验证.计算结果与试验结果相符合.通过模型计算,深入讨论了浸渍剂含量及分布、浸渍深度等因素对内弹道性能的影响.当浸渍含量分布函数为右抛物线类型时比左抛物线类型最大膛压降低了3MPa,初速提高了10m/s,实现了在较低最大膛压下更高初速的期望;浸渍深度在计算中出现临界值,当浸渍深度大于外层厚度的0.6倍时,能够得到初速增加而最大膛压不增加的内弹道效果.     

某新型发射药在身管附加装药中的应用研究

为研究身管附加装药的类压力平台增速效应,采用了在弹道枪炮身管上安装附加药室的试验装置。其主药室装药采用6/7-XDGZB高能硝胺发射药,附加药室装药采用4/1-XDZJ高能发射药。密闭爆发器试验和内弹道试验结果表明:6/7-XDGZB发射药具有起始缓燃性,4/1-XDZJ发射药具有速燃和渐减燃烧特性,两者配合在膛内燃烧,在最大膛压基本保持不变的情况下,初速从空白装药(传统的单一装药,没有附加装药)的981m.s-1提高到附加装药的1063m.s-1,提高了82m.s-1,增幅为8.4%,示压效率由0.47提高到0.58。     

基于人工神经网络的铣削加工变形预测模型

针对零件铣削加工变形难以在线检测的难点,提出了一种基于神经网络的加工变形在线预测方法,通过正交试验方法设计试验方案,进行了不同铣削参数条件下的铣削试验,以试验数据为训练样本建立了基于BP神经网络的铣削加工变形与铣削参数关系的预测模型。通过生产试验验证,此模型在样本参数覆盖范围内的模型精度可达99.56%、在覆盖范围外的模型精度高于95.47%,说明该神经模型能定量的反映出铣削参数与加工变形之间的关系。     

高低压室发射弹丸内弹道仿真与试验研究

为了研究高低压室发射弹丸过程中内弹道的参数设计问题,采用经典内弹道理论,结合高低压室发射特点,建立了高低压室发射弹丸内弹道仿真计算模型,设计了一种高低压室发射系统试验装置,对不同喷口大小情况下的高低压室发射弹丸内弹道进行了试验研究,将仿真计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了仿真计算模型的合理性。应用该仿真模型分析了高低压室内弹道工程设计中的发射药弧厚、破孔压力、弹丸启动拉力等因素对内弹道性能的影响。研究表明:高压室喷口大小对高压室压力和弹丸初速影响较大,减小喷口半径在一定程度上可以降低火药的能量损失; 发射药弧厚对高低压室内弹道性能影响较大,随着弧厚的增加,高低压室压力降低,弹丸出炮口速度降低; 破孔压力对高低压室内弹道性能影响较小,但应满足高压室内发射药的点火压力要求; 弹丸启动拉力主要影响低压室内压力和弹丸初速,与高压室的压力基本无关。研究结果可为高低压室内弹道结构设计和装药设计提供参考。     

半可燃药筒埋头弹内弹道性能数值模拟

为了提高埋头弹药轻量化程度及发射过程的能量利用率,将可燃药筒材料应用到埋头弹药的结构中。基于二次点火和火药程序燃烧技术,将可燃药筒简化为变燃速片状药,并作为混合装药中的一种,建立了半可燃药筒埋头弹零维内弹道模型。对105 mm埋头式榴弹射击试验进行数值模拟,验证了所建模型的正确性。在此基础上对105 mm半可燃药筒埋头式穿甲弹的内弹道性能进行预测分析,得到最大膛压为537.5 MPa,炮口初速为1 667 m/s。     

内膛损伤枪管对内弹道性能和弹头出膛状态的影响研究

为研究大口径机枪内弹道性能和弹头出膛状态受内膛损伤的影响规律,探究内膛损伤导致枪管寿终的关键因素,对某12.7 mm重机枪进行了系统的寿命试验。分析获得了该枪枪管内膛损伤的主要形式及其随射弹数增加在枪管轴向的分布及演化规律,在此基础上建立了精确的不同寿命阶段内膛损伤枪管的弹-枪热力耦合有限元模型。采用Fortran子程序实现了内弹道过程与显式有限元方法的迭代数值求解,获得了12.7 mm弹头内弹道性能及出膛状态等随内膛损伤发展的变化规律,将数值模拟结果与寿命试验数据进行对比验证了弹-枪耦合模型的准确性。仿真结果表明:弹头出膛时的扰动量、转速的下降量以及表面形貌的改变量等随枪管射弹数增加而增加,在身管寿命后期表现尤为明显;弹头出膛状态的改变是导致该枪枪管寿终的主要原因。研究结果对进一步分析内膛损伤引起的弹头外弹道性能退化行为,实现从内到外完整地分析枪管寿终机理具有重要意义。     

某小口径枪械内弹道时期枪管的动态响应研究

为了研究内弹道时期枪管的动态响应规律,基于3D-DIC数据采集系统得到了内弹道时期枪管的动态响应,建立了随动边界条件下枪管热弹耦合模型和枪管振动有限元模型,并将有限元模型计算结果与协同仿真模型结合,采用随机理论模拟100 m立靶的弹丸落点。有限元结果得到了试验的验证。研究表明:随动边界会导致枪管的应力响应沿着轴线方向存在极大的不均匀性,并且热载荷的作用会提高枪管内壁的应力响应峰值,内弹道时期枪口振动响应大致可以分为下垂—回弹—下垂3个部分,利用简化后协同仿真模型能较好地预测小口径武器单发射弹散布。