基于第四强度理论的枪炮单筒身管设计方法与流程

本发明属于武器研制和保障领域，具体涉及一种基于第四强度理论的枪炮单筒身管设计方法。

背景技术：

单筒身管是目前枪炮使用较为广泛的身管，长期以来基于前苏联的影响，我国单筒身管设计均采用第二强度理论，且设计方法比较成熟。

但是目前各国枪炮单筒身管设计并非都采用第二强度理论，譬如欧洲国家多采用第三强度理论，美国多采用第四强度理论。

但是由于各国发射药、炮钢材料、相关计算公式中经验系数等的差异，其他国家采用第三强度理论设计单筒身管的方法不一定适合我国，突出的问题反映在安全系数的选取上。

为了加强在枪炮身管设计上的国际交流，寻找适合我国国情的基于第四强度理论的枪炮单筒身管设计方法十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提出适合我国国情的基于第四强度理论的枪炮单筒身管设计方法。

本发明的原理为：基于目前国内成熟的基于第二强度理论的单筒身管设计方法，通过选用合适的安全系数，使得采用第四强度理论设计出来的单筒身管和采用第二强度理论设计出的单筒身管基本一致或者更为安全。

基于第四强度理论的单筒身管设计步骤基本一致：首先确定枪炮在各种条件下射击时各截面承受的最大压强曲线，即高低温压力曲线，高低温压力曲线乘上安全系数得到理论强度曲线，选取合适的身管材料后借助弹性强度极限公式由理论强度曲线可以计算出身管的理论外形，最后考虑身管与其他部件的连接、配合等对理论外形进行调整得到身管实际外形。不同之处在于安全系数选取不同，采用的弹性强度极限公式不同。

两种方法设计步骤基本一致，一方面为了选取符合我国国情的安全系数(考虑我国发射药、炮钢材料、相关计算公式中经验系数等因素)，另一方面也便于该方法在我国推广使用。

本发明采用如下技术方案：

一种基于第四强度理论的枪炮单筒身管设计方法，其包括如下步骤：

(一)计算枪炮身管高低温压力曲线；

(二)计算身管理论强度曲线；

(三)采用第四强度理论计算身管理论外形；

(四)身管外形调整。

进一步的，所述步骤(一)包括如下步骤：

(1)获取膛压曲线；

(2)计算特征点；

(3)计算之间的数据点；

(4)计算之间的数据点；

(5)连接相关数据点。

进一步的，所述步骤(1)中，在最强装药号和新炮(药室增长量为0)的前提下，通过求解内弹道方程组或者试验测试，得到对应-40℃和±50℃的两条膛压曲线，并得到-40℃对应膛压曲线的特征参数以及+50℃对应膛压曲线的特征参数

进一步的，所述步骤(2)中：

考虑药室部分的长度lys，由用式(a)计算

l＝l+lys(a)

式(a)中，lys-身管药室长度；

由用式(b)计算由用式(c)计算

式(b)和(c)中，mω-发射药质量，mq-弹丸质量，-只考虑弹丸摩擦和旋转的次要功计算系数，火炮取1.02，枪械取1.10；

如此得到5个特征点数据：

进一步的，所述步骤(3)中：通过-30℃、-10℃、0℃、10℃、30℃的膛压曲线，则可以得到参数点…，用式(a)和式(c)可以计算出对应的即构成了之间的数据点。

进一步的，所述步骤(3)中：

借助内弹道表来求取。由式(d)计算出装填密度δ，由式(e)计算出和对应的弹丸相对行程和

式(d)中，w0-药室容积；

式(e)中，s-身管横截面积；

由δ和查内弹道表得到系列数据点用式(e)、式(a)和式(c)可计算出对应的即构成了之间的数据点。

进一步的，所述步骤(4)中，由-40℃下的膛压曲线，可获取之间的数个膛压点数据：同样，借助式(a)和式(c)可以计算出需要的之间的数据点

进一步的，所述步骤(5)中，将和之间数据点以及之间的数据点连接起来即得到身管高低温压力曲线。

进一步的，所述步骤(二)为：将每组数据点的压强p1乘以其所在位置对应的安全系数n，得到一系列pl；各截面的pl连接起来即得到身管理论强度曲线；

所述安全系数n通过如下方法确定：将火炮身管分为4段：药室部为0～lys、膛线起始部为lys～lm+1.5d、膛线中段为lm+1.5d～lg-2d、炮口部为lg-2d～lg；所述药室部的安全系数取0.86；所述膛线起始部的安全系数取0.92或1.0，其中，浅膛线取0.92，深膛线取1.0；所述炮口部的安全系数取1.75或1.55，其中，牵引火炮取1.75，自行火炮取1.55；所述膛线中段的安全系数取临近两端安全系数的线性插值。

进一步的，所述步骤(三)为：根据身管理论强度曲线中的最大压强，选取合适的炮钢类型，确定材料比例极限σp；通过高低温压力曲线数据计算身管各截面的pl；

采用第四强度理论时，按照式(f)计算身管各截面理论外半径r2；各截面的r2连接起来即得到身管理论外形：

式(f)中，r1-身管某截面内半径，r2-身管某截面理论外半径。

进一步的，所述步骤(四)为：考虑身管与炮尾、摇架、炮口装置的连接与配合等对身管理论外形进行调整，各截面r2s连接起来即得到身管实际外形。

本发明的有益效果在于：本发明拓展了我国枪炮单筒身管设计的方法，有利于我国与世界各国在枪炮单筒身管设计方面的交流。本发明可用于院校、科研所和武器生产厂的枪炮单筒身管研制。

附图说明

图1为身管膛压曲线。

图2为身管高低温压力曲线。

图3为身管安全系数曲线。

图4为理论强度曲线。

图5为身管理论外形和实际外形曲线。

图1中，l-弹丸相对身管行程，p-弹后空间平均压强，

p0、pm、pk、pg-对应弹丸启动时、膛压最大时、发射药燃烧完毕时、弹丸出炮口时膛内平均压强，lm、lk、lg-对应膛压最大时、发射药燃烧完毕时、弹丸出炮口时的弹丸相对身管行程。

图2中，l-身管距离膛底长度，p1-身管各截面承受最大压强，d-火炮口径，

lg-身管长度，-x℃时弹后膛压达到最大时弹丸底部距离膛底距离，

-x℃时发射药燃烧结束瞬间弹丸底部距离膛底距离，

-x℃时弹后膛压达到最大时膛底压强，-x℃时弹后膛压达到最大时弹底压强，-x℃时弹丸出炮口瞬间弹底压强。

图3中，n-安全系数。

图4中，1-高低温压力曲线，2-理论强度曲线。

图5中，r-身管半径，3-身管内半径曲线，4-身管理论外形，5-身管实际外形。

具体实施方式

枪炮单筒身管设计是在枪炮内弹道设计和计算完成后进行的。也就是说，是在身管的膛压曲线已知，身管内膛结构尺寸已知情况下，设计身管的壁厚，得到身管的实际外形。

一、计算枪炮身管高低温压力曲线。

高低温压力曲线如图2所示，曲线由两段直线和两段曲线组成，获取直线段端点数据和曲线段上数个点(4个以上)数据，即可得到该曲线。

两段直线指到的直线段和到的直线段；两段曲线指之间的数据点和之间数据点组成的曲线段。两个直线段和两个曲线段共同组成高低温压力曲线。

1、膛压曲线

在最强装药号(国内为0号装药)、新炮(身管内膛没有磨损，药室增长量为0)前提下，通过求解内弹道方程组或者试验测试，得到对应-40℃和+50℃的两条膛压曲线(如图1所示)。膛压曲线是由一系列数据点组成的，格式如表1所示。-40℃对应膛压曲线的特征参数包括+50℃对应膛压曲线的特征参数包括由于火炮身管长度是确定的，弹丸出炮口时相对身管的位移也是确定的，故-40℃和+50℃两条膛压曲线的lg是一致的。这里要指出的是，-40℃～+50℃是我国枪炮的使用温度范围。

内弹道方程组如式(g)所示。计算时要用到具体火炮的参数。

式(g)中，ψ-火药燃去百分数，z-火药燃去相对厚度，t-时间，λ，μ-药粒的形状特征量，u1-燃烧速度系数，e1-药粒初始厚度的一半，p-膛内火药气体平均压强，ik-压力全冲量，n-燃烧速度指数，s-炮膛横截面积，-次要功计算系数，mq-弹丸质量，v-弹丸速度，l-弹丸行程，lψ-药室自由容积缩径长，f-火药力，mω-装药质量，k-比热比。

表1膛压曲线的数据点

2、计算特征点

考虑药室部分的长度lys，由用式(1)计算

l＝l+lys(a)

如，

由用式(b)计算由用式(c)计算

式(b)和(c)中，mω-发射药质量，mq-弹丸质量，-只考虑弹丸摩擦和旋转的次要功计算系数，火炮取1.02，枪械取1.10。

式(c)的使用如，

如此得到5个特征点数据：

3、计算之间的数据点

如果能获取-40℃～+50℃之间数个温度下(如-30℃、-10℃、0℃、10℃、30℃)膛压曲线，则可以得到参数点用式(a)和式(c)可以计算出对应的…即构成了之间的数据点。

得不到上述膛压曲线的话，要借助内弹道表来求取上述参数。由式(d)计算出装填密度δ，由式(e)计算出和对应的弹丸相对行程和

式(d)中，w0-药室容积。

式(e)中，s-身管横截面积。式(e)的应用如，

由δ和查内弹道表得到系列数据点如表2所示。用式(e)、式(a)和式(c)可计算出对应的这些点也构成了之间的数据点。

表2内弹道表查数据

4、计算之间的数据点

由-40℃下的膛压曲线，可获取之间的数个膛压点数据：(如图1和表1所示)，同样，借助式(a)和式(c)可以计算出需要的之间的数据点

5、连接相关数据点

依照图2，将和之间数据点以及之间的数据点连接起来即得到身管高低温压力曲线。它是设计身管壁厚的基础。高低温压力曲线数据如表3所示。

表3高低温压力曲线数据

二、计算身管理论强度曲线

考虑到理论计算与实际的差距，材料的不均匀等因素，设计身管壁厚需要引入安全系数n。采用第四强度理论设计单筒身管时，如图3选择安全系数。0～lys为药室部；lys～lm+1.5d为膛线起始部；lg-2d～lg为炮口部。药室部安全系数取0.86；膛线起始部安全系数取0.92和1.0(浅膛线取0.92，深膛线取1.0)；炮口部安全系数取1.75和1.55(牵引火炮取1.75，自行火炮取1.55)；膛线起始部到炮口部之间安全系数取两端安全系数的线性插值。深、浅膛线按照膛线深度t与火炮口径d之间关系判定，t≤0.01d为浅膛线，t＞0.01d为深膛线。具体计算时，如表3所示，将每组数据点的压强p1乘以其所在位置对应的安全系数n，得到一系列pl。各截面的pl连接起来即得到身管理论强度曲线，如图4中曲线2所示。

三、计算身管理论外形

根据身管理论强度曲线中的最大压强，从相关国家军用标准中选取合适的炮钢类型(如p-685、p-835等)，确定材料比例极限σp。

设计单筒身管前，身管的内膛结构已经确定，即图5中曲线3是已知的，其对应数据如表4中前两行所示。由于表4中给出的截面和表3中给出的截面不一致，设计身管以表4中各截面为准，通过对表3中数据线性插值，得到表4中身管各截面的pl。

采用第四强度理论时，按照式(f)计算身管各截面理论外半径r2(见表4)。各截面的r2连接起来即得到身管理论外形，如图5中曲线4所示。

表4身管各截面数据

式(f)中，r1-身管某截面内半径，r2-身管某截面理论外半径。

四、身管外形调整

考虑身管与炮尾、摇架、炮口装置的连接与配合等对身管理论外形进行调整(如与筒形摇架配合需要身管外部设置一个圆柱面，与炮尾连接需要设置台阶面以加工螺纹)，最终将各截面理论外半径r2调大为实际外半径r2s(见表4)，各截面r2s连接起来即得到身管实际外形，如图5中曲线5所示。

到此，单筒身管即设计完毕。

在枪炮内膛结构和承压曲线(高低温压力曲线)确定情况下，利用本文的安全系数选取原则和第四强度理论计算公式，得到的身管理论外形与目前行业内采用的安全系数原则和第二强度理论公式得到的身管理论外形基本一致。也就是说，今后我国枪炮单筒身管设计，可以采用过去基于第二强度理论的方法，也可以采用本文提出的基于第四强度理论的方法，两种方法设计出来的单筒身管是基本一致的。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，但并不限于此，本领域的技术人员很容易根据上述实施例领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围之内。