坡膛结构变化对火炮内弹道性能影响的研究

第41卷第6期2021年12月振动、测试与诊断Vol.41No.6Dec.2021 Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis火炮振动与控制的发展现状及应用前景∗杨国来，葛建立，孙全兆，王丽群（南京理工大学机械工程学院南京，210094）摘要火炮是一个多场耦合复杂系统，其发射过程具有高瞬态和强冲击特征，火炮振动是影响射击精度的重要因素之一，是火炮领域的重要研究内容。

近年来提出了火炮多体系统动力学、非线性动态有限元、多目标多学科优化及不确定性等火炮现代设计理论与方法，对炮身、架体、底盘等重要部件及各部件间连接关系组成的火炮系统进行建模、仿真及优化，从而达到减小炮口振动、提高射击稳定性和射击安全性的目的。

笔者从火炮振动与系统优化、弹炮耦合、火炮不确定性分析与优化等方面对近年来取得的成果进行了总结和分类讨论，并提出了火炮振动领域存在的问题及火炮振动与控制的应用前景。

关键词火炮振动；射击精度；多体系统动力学；有限元法；弹炮耦合；不确定性中图分类号TJ3引言火炮在第二次世界大战中被誉为“战争之神”，是当今世界各国军队常规武器装备的主体。

火炮发射过程中，在高温、高压、高瞬态火药燃气压力作用下不可避免地产生振动，特别是炮口振动会对火炮射击精度造成不利影响。

火炮射击精度涉及到火炮、弹药及气象条件等，是一个复杂的系统问题。

为了研究方便，常常将火炮划分成不同的子系统，但是不同子系统之间是相互影响和高度耦合的。

因此，采用完整的系统方法来解决精度问题是一个更好的选择。

近年来，连续体力学、动力学设计、数值和计算机技术以及测试技术等各个学科分支在解决复杂工程问题中取得了很大进展，这为通过新技术更好地理解和改进火炮射击精度提供了可能性［1］。

火炮射击精度包括射击准确度和射击密集度，射击准确度与系统误差有关，可以修正；射击密集度是惯性弹丸的随机散布，与多种不确定性有关，无法消除，但是可以通过合理设计，控制在一定范围内。

弹丸挤进压力对平衡炮内弹道性能的影响研究段吉员;王彦平;刘仓理;于川【摘要】利用工程法和挤进时期内弹道法计算了某口径平衡炮的弹丸挤进压力,分析了其对内弹道性能的影响.只要参数选取合理,便可用工程值代替挤进时期内弹道计算值,既简化了计算模型,又满足了试验精度,还可为此类火炮内弹道建模和试验提供依据.【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷),期】2006(020)002【总页数】5页(P189-193)【关键词】内弹道;平衡炮;挤进压力【作者】段吉员;王彦平;刘仓理;于川【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川,绵阳,621900【正文语种】中文【中图分类】TJ012.11 引言平衡炮是一种两头发射的滑膛无后座力炮，依靠弹丸和平衡体上的弹带起定位和密封作用，在其内弹道建模中，无论是用经典法还是用两相流内弹道法，均没有考虑弹带的挤进过程，认为膛压达到挤进压力时，弹丸和平衡体就开始运动，这虽然给建模工作带来简便，但给计算程序的起始参数选择增加难度，从而影响程序的计算精度。

目前，挤进压力参数值的选取参照的是一般火炮工程法，而一般火炮其发射原理与平衡炮存在较大差异，因而参数选取不够精确，需根据多次实验结果修正才符合要求。

如选取值偏大，膛压、初速以及弹丸过载相应增加，内弹道时间则缩短，理论计算不可靠，失去了其实验指导的意义，如选取值偏低，情况则相反，所以，挤进压力对平衡炮内弹道性能影响非常重大，对其进行分析研究非常必要。

本工作结合平衡炮具体结构特点，分别用工程法和挤进时期内弹道法计算了挤进压力值，并把挤进时期内弹道诸元与整个忽略弹丸挤进过程的内弹道诸元作了对比分析，只要合理选取参数，挤进压力可用工程值代替挤进时期内弹道值，这样就可以忽略弹丸挤进过程对内弹道的影响，大大简化了内弹道计算模型，并满足试验精度。

第40卷第4期2019年4月兵工学报ACTA ARMAMENTARIIVol.40No.4Apr.2019内膛损伤枪管对内弹道性能和弹头出膛状态的影响研究沈超1,周克栋1,陆野1,乔自平2(1.南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;2.中国兵器工业第208研究所,北京102202) 摘要: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12.7mm 重机枪进行了系统的寿命试验㊂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㊂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12.7mm 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㊂仿真结果表明:弹头出膛时的扰动量㊁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㊂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㊂ 关键词:枪管寿命试验;内膛损伤;内弹道性能;出膛状态;有限元方法 中图分类号:TJ203+.1文献标志码:A文章编号:1000⁃1093(2019)04⁃0718⁃10 DOI :10.3969/j.issn.1000⁃1093.2019.04.006 收稿日期:2018⁃07⁃04基金项目:国家自然科学基金项目(11802138);中国博士后科学基金项目(2018T110503);中央高校基本科研业务费专项资金项目(30918011302)作者简介:沈超(1992 ),男,博士研究生㊂E⁃mail:shenchao@ 通信作者:周克栋(1964 ),男,教授,博士生导师㊂E⁃mail:zkd81151@;陆野(1988 ),男,讲师㊂E⁃mail:luye@ Research on the Influence of Damaged Barrel on Interior BallisticPerformances and Muzzle⁃leaving State of BulletSHEN Chao 1,ZHOU Kedong 1,LU Ye 1,QIAO Ziping 2(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China;2.No.208Institute of China Ordnance Industry,Beijing 102202,China)Abstract :The influence of bore damage on interior ballistic performance and muzzle⁃leaving state of bul⁃let is studied,and the mechanism of how bore damage leads to the end of barrel’s life is explored.The accurate thermo⁃mechanical coupling finite element analysis (FEA)models of barrels with bore damage at different life periods are established based on the distribution and evolution rule of bore damage ob⁃tained through systematic life tests.The changing rules of interior ballistics performances and muzzle⁃leaving states of 12.7mm bullet with the evelopment in bore damage are obtained through numerical sim⁃ulation which combines the interior ballistics process and the explicit finite element method through For⁃tran subroutines.The coupling model of bullet and gun barrel is proved to be effective by comparing the calculated results of interior ballistic parameters with experimental results.The simulated results show　第4期内膛损伤枪管对内弹道性能和弹头出膛状态的影响研究that the initial disturbances of bullet at muzzle,the reduction in rotational velocity and the variation in bullet’s surface topography increase as the firing cycle increases,especially in barrel’s later lifetime.Var⁃iation in muzzle⁃leaving state of bullet is the key factor for barrel’s life end.Research results have impor⁃tant significance on further studying how bore damage degrades bullet’s exterior ballistics performance and the end⁃of⁃life mechanism of barrel.Keywords:barrel life test;bore damage;interior ballistics performance;muzzle⁃leaving state;finite element method0　引言弹头内弹道沿内膛向枪管口部运动的过程中,弹头在膛内沿枪管轴线做变加速运动,受膛线导转弹头发生自转以保持外弹道的飞行稳定性,弹头沿内膛运动到膛口位置时的初速㊁初始转速㊁初始射角等为外弹道飞行过程的初始条件㊂然而在内弹道时期,高速自转的弹头受各种因素的影响,不可能保持自身轴线与枪管轴线始终重合,二者之间的夹角称为弹头的摆动角α,内弹道过程中摆动角α及摆动角速度α㊃不断变化,弹头出膛口时分别对应初始摆动角α0和初始摆动角速度α㊃0;弹头出膛口时其质心速度方向亦会偏离枪管轴线一个角度,记为初始偏角β0,α0㊁α㊃0及β0统称为弹头出膛口时的初始扰动[1]㊂枪管内膛的细微损伤都会对高速运动弹头的内弹道过程运动状态产生较大影响,最终反映在膛口位置处弹头的初始扰动量上㊂此外枪管内膛的结构损伤也会对弹头出膛口时的表面形貌产生影响,使弹头外弹道过程的气动力参数与无损伤枪管发射的弹头产生一定的偏差㊂弹头出膛口时的初始扰动及表面形貌共同组成了弹头的出膛状态,二者结合环境因素综合确定了弹头的外弹道过程㊂试验结果表明,内膛损伤越重的枪管发射弹头时,其外弹道过程偏离初始状态就越多,最终因不能满足枪管寿命指标而寿终[2]㊂目前学者们对内膛损伤的机理及身管内膛磨损的弹-枪㊁弹-炮耦合内弹道退化过程进行了较多研究,并取得了一定的成果㊂文献[3]对材料断裂与损伤中的力学机理以及损伤的演化过程进行了理论研究㊂文献[4-5]提出了运用兰姆波㊁工业CT等对金属内部损伤进行定量无伤探测的方法㊂文献[6]针对试验中身管阳线起始段双侧棱边断裂损伤的现象建立了非线性有限元模型,分析了弹丸挤进过程中阳线的损伤机理㊂文献[7]对身管内膛磨损条件下的弹道诸元进行了求解,并对内膛磨损枪管发射弹头的初速进行了修正㊂文献[8]将稳健设计思想用于弹-枪匹配过程,对不同内弹道条件下的弹头发射过程进行了研究㊂文献[9]以身管磨损最大处的磨损量代替整个内膛磨损量,研究了内膛烧蚀磨损引起的火炮内弹道变化情况㊂文献[10-11]基于分割策略将身管分为多段,分段建立了身管内膛的磨损模型,分析了火炮膛压和弹丸初速随内膛磨损的退化过程㊂上述研究对弹丸沿真实内膛损伤身管运动的研究,尤其是对真实内膛损伤如何影响弹丸出膛状态进而影响射击精度的研究还较少㊂本文基于某12.7mm机枪的镀铬枪管寿命试验,通过对实弹射击中含镀铬层枪管内膛的损伤数据进行测量,得到了枪管自坡膛至膛口各处损伤的形貌特征;将内膛损伤的形式归纳为两类,分别分析了两类损伤在身管轴向的分布规律及其随射弹数增加的演化规律,在此基础上分两步对含真实内膛损伤的枪管进行了有限元网格划分;基于经典内弹道方程并考虑内膛损伤导致的弹后空间扩大量,编写了弹底压力推力子程序,使用Abaqus软件建立了内弹道过程的弹-枪热力耦合有限元模型㊂获得了不同寿命阶段枪管所发射弹头的内弹道参数及出膛状态参数,分析了内膛损伤对二者的影响规律,对内膛损伤导致枪管寿终的机理做出了解释㊂1　枪管内膛损伤的主要形式及其分布与发展规律 大量试验表明,枪管内膛的主要损伤形式有两种:1)内膛表层金属材料磨损导致的内膛截面阴线㊁阳线半径的扩大(假设截面圆周上阳线的磨损量相等,即第1类损伤不改变内膛截面几何上的对称性);2)由于所受机械压力作用㊁火药烧蚀作用及热应力作用等不均匀,导致局部裂纹㊁烧蚀坑及镀铬层剥落等㊂试验结果与文献[7]中对身管内膛破坏特点的917兵　工　学　报第40卷描述相同㊂其中,第1种损伤形式的磨损量可以通过使用塞规伸入枪管内测量枪管轴向各位置处的直径得到;第2种内膛损伤形式及其分布规律的获得一般采用对枪管进行内窥,或者解剖枪管进行观察的方法㊂1.1　各寿命阶段枪管内膛磨损量及其变化规律测量第1类损伤时采用一组长度相同㊁直径递变的塞规,测试其进入枪管的深度㊂由于枪管口部及尾部的烧蚀量均大于枪管中部,故需分别测试不同直径的塞规进入枪管口部及尾部的深度,并假定塞规头部终止位置截面阳线内径即为该塞规直径㊂以口部为例,使用塞规进行测量的过程如图1所示,依此方法,采用不同直径的塞规,即可测得枪管不同轴向截面位置枪管直径㊂试验获得的原始数据即为各塞规的直径及对应塞规从枪口或枪尾伸入枪管的长度,通过换算即可得到如图2所示身管阳线直径在轴向的分布情况,所测得直径与原直径之差的一半即为枪管该截面第1类损伤(磨损)值的大小㊂图1　枪管内膛阳线直径测量示意图Fig.1　Schematic diagram of barrel land diametermeasurement图2　4根枪管内膛直径轴向分布图Fig.2　Bore diameters of 4barrels along the axis在12.7mm 机枪射击寿命试验中,使用塞规测量得到了若干根材料㊁制造工艺及结构均相同的枪管在射弹数分别为0发(寿命试验前)㊁1400发(寿命试验中前期)㊁3000发(寿命试验中期)㊁6000发(寿终)时的内膛阳线直径,各根枪管在射弹数相同时的内膛阳线直径在轴向各截面处基本一致,各根枪管阳线直径平均值沿枪管轴向的分布如图2所示,并按射弹数的增加将枪管分为4个寿命阶段编号为1~4阶段,以便于叙述㊂从图2中可以看出,枪管阳线直径初始为12.66mm,随着射弹数的增加,轴向各位置处的磨损量都在增加,且各寿命阶段枪管的阳线直径变化规律相似,即沿轴向可以划分为4个区域:Ⅰ区域为从阳线起始部向前12倍口径长度上,区域内枪管内膛磨损量均在膛线起始段达到最大值,并迅速下降至各自的稳定值后,在Ⅱ区域前保持不变,随着射弹数的增加,这段磨损量不变的区域逐渐缩小,直至枪管寿终时该区域长度已缩小至仅有20mm;Ⅱ区域为从距阳线起点12倍口径到枪管中部位置,该区域内枪管内膛磨损量随射弹数的增加呈非线性增加趋势;Ⅲ区域为枪管中部到离枪口2倍口径距离处,该区域内膛磨损量随射弹数的增加呈缓慢线性增加趋势;Ⅳ区域为枪口部2倍口径长度内,该区域内枪口处内膛磨损量突然增大,呈现 喇叭口”的形状㊂本文称Ⅰ区域㊁Ⅱ区域为主要磨损区,Ⅲ区域为均匀磨损区,Ⅳ区域为枪口磨损区㊂1.2　各寿命阶段枪管内膛损伤形式及分布规律测量第2类损伤时,将内窥仪器探头从枪管尾部伸入内膛,并不断向枪管口部移动,内窥仪器自动保存整个过程的内窥视频,内窥过程会在若干关键位置记录探头深入枪管尾部的长度,并对该处的内膛形貌重点进行观察㊂采用这种内窥技术对不同寿命阶段的枪管进行内窥,即可获得不同寿命阶段枪管轴向各位置处的表面形貌特征,该视频资料及所记录的探头伸入枪管尾部长度即为测量第2类损伤的原始样本数据㊂通过对不同寿命阶段枪管内窥视频进行观察与分析,尤其是对上文所述关键区域的观察及截图(见图3~图5),分析获得了内膛损伤随射弹数的演化规律㊂试验时对多根相同材料㊁相同制造工艺及相同内膛结构的枪管按照同样的射击规范进行射击试验,试验获得各根枪管的内膛烧蚀坑和铬层的剥落情况在相同的寿命阶段一致㊂因此,选取寿命试验中的某一根枪管,列出其在上述4个寿命阶段进行内窥得到的Ⅰ区损伤最严重的线膛起始段内膛损伤情况,如图3所示㊂从图3可以看出,在损伤最严重的线膛起始部位,内膛损伤的主要形式是由初始细小裂纹不断延伸及扩展而导致的铬层剥落和火药气体冲刷烧蚀形27　第4期内膛损伤枪管对内弹道性能和弹头出膛状态的影响研究图3　各寿命阶段枪管线膛起始段损伤内窥图Fig.3　Endoscopic figures of bore damage at thebeginning of rifled bore成的烧蚀坑,由图3(b)可以发现在寿命试验的中前期枪管线膛起始部的裂纹就已发展为明显的烧蚀坑和铬层的剥落㊂结合图3(b)~图3(d)可以得到内膛损伤在线膛起始段的分布规律,即随着射弹数的增加,阳线的损伤首先出现在线膛起点处,并随着射弹量的增加沿阳线向枪口及枪尾方向延伸,阳线导转侧较非导转侧的损伤更为严重(图3中阳线的左侧为导转侧),这是由阳线起始段及导转侧受力条件更为苛刻所决定的;阴线的损伤首先出现在线膛起始部,并随着射弹数的增加,轴向主要向枪管口部延伸,周向向两侧延伸并逐渐与阳线的损伤相连,这是因为阴线的损伤主要受到高温㊁高速火药气体的冲刷作用形成烧蚀坑[7],弹头完成挤进前,弹头被甲材料与阴线贴合较紧,火药气体对线膛起始段之前的坡膛段阴线冲刷作用较小,因此损伤也较小㊂该枪管Ⅱ区域在4个寿命阶段时内膛损伤情况如图4所示㊂由图4可以看出,Ⅱ区域的内膛损伤在身管寿命的中前期主要为纯磨损,随着射弹数的增加,在阳线导转侧出现由铬层剥落形成的坑状结构缺陷并不断沿膛线向枪口及枪尾方向扩展,在枪管寿命后期,该区域内阴线表面出现少量的烧蚀坑㊂这是因为在枪管寿命中后期,Ⅰ区域的内膛损伤较明显,弹头在Ⅰ区域的运动不能得到较好的约束,使得弹头沿该区域内膛向枪管口部运动过程扰动增大,对枪管Ⅱ区域的作用力增大;该区域也对应枪管轴向温度场的温度最高区域[12],热应力较大,铬层较容易剥落;由于该区域内膛压仍较大,弹头的加速度㊁角加速度均较大,阳线导转侧受力也会增大,因而铬层的剥落主要出现在膛线的导转侧㊂阴线烧蚀坑的形成是由于该区域内膛损伤量的增加,导致弹头与枪管之间间隙扩大,高温㊁高速的火药燃气及未完全燃烧的固相颗粒泄漏量增大,使得阴线在其冲刷下形成烧蚀坑㊂图4　各寿命阶段枪管Ⅱ区域内膛损伤内窥图Fig.4　Endoscopic figures of bore damage in Area Ⅱ图5　各寿命阶段枪管Ⅲ区域内膛损伤内窥图Fig.5　Endoscopic figures of bore damage in Area Ⅲ图5是该枪管4寿命阶段Ⅲ区域的内窥图,这一区域内弹道过程膛压较低,弹头加速度㊁角加速度较低,弹头运动较平稳,内膛损伤以均匀的磨损为127兵　工　学　报第40卷主㊂Ⅳ区域 喇叭口”段也是均匀磨损段,枪管口部直径由于只比Ⅲ区域末端扩大了0.01mm,内窥图中不能明显看出与Ⅲ区域的分界面,这里不再列出图片㊂2　真实内膛损伤枪管有限元模型的建立第1节叙述的2种内膛损伤主要形式均会影响弹头的内弹道过程及出膛状态:内膛表面金属材料的磨损会降低弹头与内膛之间贴合的紧密度,使得枪管对弹头的导向及导转作用降低,进而使得弹头出膛时扰动增大,转速及外弹道过程的飞行稳定性降低;局部的裂纹㊁烧蚀坑及铬层剥落后留下的大块的结构缺陷等会改变弹头的表面形貌,如刻槽的深度㊁宽度及被甲材料的表面完整性等均会与无损伤枪管发射的弹头有较大差异,这会使得弹头外弹道飞行过程中的气动力参数发生改变,影响弹头的外弹道性能㊂由此可知,2种主要的内膛损伤形式均会改变弹头的出膛状态,因此,建立含损伤枪管的有限元模型时必须同时考虑上述2种内膛损伤形式㊂2.1　对内膛损伤形式做出的假设真实的枪管内膛损伤形式太过复杂,很难在建立有限元模型时完全对其进行还原,因此本文建立的内膛损伤枪管的有限元模型基于以下假设: 1)由于阴线的磨损量较小,不计阴线的第1类损伤;2)由于金属表面细小裂纹在枪管寿命前期就已演化为明显的烧蚀坑和铬层剥落,不考虑裂纹对弹头膛内运动的影响;3)枪管各条阴线的损伤相同,各条阳线的损伤相同㊂本文采取先建立内膛磨损枪管的几何模型并对其划分网格,然后在其上预置第2类内膛损伤的方法分2步建立枪管的有限元模型㊂下文以射弹量3000发(寿命中期,寿命阶段编号3阶段)的枪管为例,详细叙述建模过程,其他3个寿命阶段枪管的建模过程与之类似㊂2.2　内膛损伤枪管有限元模型的建立1)建立只含第1类损伤(纯磨损)的寿命中期镀铬枪管的有限元模型㊂根据图2所示的枪管内膛磨损数据,使用三维建模软件建立寿命中期枪管的三维模型,基于2.1节中的假设1):内膛的磨损不改变内膛截面的对称性,因此可以建立准确的只含第1类损伤的枪管三维模型㊂在此基础上对只含第1类损伤的寿命中期枪管进行有限元网格划分如图6所示㊂考虑到受磨损的主要为表面镀铬层,在网格划分时保证基体材料厚度不变,仅改变镀铬层的厚度,磨损较轻和磨损较重的枪管膛线导转侧(见图6中A区域的网格局部放大图)如图7所示㊂图6　3阶段枪管三维网格划分Fig.6　3D mesh generation of barrel in AreaⅢ图7　铬层磨损后网格划分Fig.7　Mesh generation of worn chromium coating2)在已完成的纯磨损寿命中期枪管有限元模型的基础上,预置第2类损伤(烧蚀坑和剥落层)㊂基于2.1节中对各寿命阶段枪管内膛损伤试验数据的分析所获得的寿命中期枪管在身管轴向4个区域的主要损伤形式及分布规律,在枪管的Ⅰ区域㊁Ⅱ区域预置烧蚀坑和剥落层分别如图8㊁图9所示,Ⅲ区域㊁Ⅳ区域的损伤形式为均匀的磨损,因而不用预置烧蚀坑和剥落层㊂至此完成了寿命中期含损伤镀铬枪管有限元模型的建立,因为其他3个寿命阶段枪管内膛的磨损数据及烧蚀坑和剥落层在身管轴向各区域的分布及演化规律也已经由寿命试验得到,所以重复上述2步即可建立其他3个寿命阶段损伤枪管的有限元模型㊂227　第4期内膛损伤枪管对内弹道性能和弹头出膛状态的影响研究图8　3阶段枪管Ⅰ区域网格划分Fig.8　Mesh generation of barrel 3in AreaⅠ图9　3阶段枪管Ⅱ区域网格划分(部分)Fig.9　Mesh generation of barrel 3in AreaⅡ(partly)2.3　含损伤枪管弹-枪热力耦合模型的建立本文主要研究枪管内膛损伤对弹头出膛状态的影响,对于枪械系统的振动㊁后坐及部分由人工因素导致的随机误差(如弹头和内膛加工误差㊁装药量质量误差等)对弹头出膛状态的影响不予考虑㊂因此忽略枪管的变形,假设枪管为刚体,弹头材料考虑塑性变形和损伤失效,采用Johnson⁃Cook 本构模型[13]㊂图10　弹-枪耦合有限元模型Fig.10　Assembled FEA model of bullet⁃barrel interaction在上文划分4个寿命阶段含真实内膛损伤枪管有限元网格的基础上,建立弹头沿含损伤枪管运动直至出膛的热力耦合模型,装配后的有限元模型如图10所示㊂弹-枪耦合模型的相关设定㊁由内膛损伤引起的弹后空间增加量的计算方法以及发射子程序的编写过程详见文献[14]㊂3　模型验证及结果分析3.1　模型验证本文结合枪管寿命试验获得的内膛各截面尺寸及枪管内窥图,使用第2节所述方法建立弹头在枪管的1~4寿命阶段内挤进及沿内膛向枪管口部运动过程的有限元模型㊂为验证所建立有限元模型的准确性,将有限元计算及试验测得的各寿命阶段枪管发射弹头的初速进行对比后发现,4个寿命阶段枪管所发射弹头的初速计算值与理论值误差均在1.2%以内(前3个阶段初速误差均小于0.8%),其中4个寿命阶段枪管初速误差略大是因为寿终枪管由烧蚀㊁铬层剥落等引起的弹后空间增大已不能完全忽略,计算时所取弹后空间偏小,导致膛压偏大,初速也偏大㊂无损伤枪管内弹道过程膛压实测值及计算值如图11所示㊂由图11可以看出,两膛压曲线贴合得较好,其中实测最大膛压为320MPa,计算得到最大膛压为328MPa,二者误差仅为2.5%.由此可见,本文建立的有限元模型计算结果与实测值误差较小,验证了本文针对内膛损伤枪管建模方法的合理性和正确性㊂图11　膛压曲线对比Fig.11　Comparison of pressure curves3.2　枪管内膛损伤对内弹道过程的影响仿真计算所得弹头沿4个寿命阶段枪管运动过程内弹道膛压及速度曲线如图12所示㊂其中,未损伤枪管的最大膛压和弹头出膛速度分别为328MPa㊁806m /s,2~4阶段枪管按射弹量的增加,膛压分别下降了1.1%(324.4MPa)㊁1.7%(322.3MPa)㊁4.9%(311.9MPa),初速分别下降了1.2%(796m/s)㊁1.9%(791m/s)㊁4.8%(767m /s)㊂图13为初速及最大膛压随射弹数增加的变化趋势㊂由图13可以327兵　工　学　报第40卷看出,最大膛压和初速作为反映弹头内弹道性能的两个重要参数,随射弹量的增加在不断降低,且在枪管寿命的前半段,内膛磨损导致二者的降低较小;在寿命后期,二者均出现显著下降,导致了弹头的内弹道性能随之显著降低,枪管随即寿终㊂图12　内弹道膛压及速度曲线Fig.12　Curves of interior ballistics bore pressure and velocity图13　初速及最大膛压变化趋势Fig.13　Variation trends of initial velocity and peek pressure图14为弹头沿各寿命阶段枪管运动时膛压和轴向阻力随弹头位移的变化曲线㊂从膛压曲线可以看出,随着射弹数的增加,内弹道过程最大膛压点向身管尾部移动,2~4阶段枪管相比1阶段枪管分别向枪管尾部移动了1.1mm㊁2.3mm㊁5.7mm,这是因为随着内膛损伤的发展,内膛直径不断扩大,达到相同的弹后空间所需的弹头轴向行程不断降低,这与文献[11]中磨损枪管的最大膛压向身管尾部移动的规律一致;从弹头轴向阻力曲线可以看出,随着射弹数的增加,轴向阻力随着身管损伤的增大而减小,且轴向阻力的峰值向枪管口部方向移动,其中4阶段寿终枪管由于坡膛部位的铬层已基本完全剥落,使得弹头在挤进时期轴向阻力较小,挤进阻力的峰值点出现在弹头沿线膛运动阶段;在枪管口部位置,由于存在一段 喇叭口”状的内膛直径快速增大区域,弹头在出膛口时受到的轴向阻力出现了快速下降的现象㊂图14　膛压和阻力随弹头位移的变化曲线Fig.14　Variation of bore pressure and motion resistancewith bullet displacement由此可见,本文12.7mm 弹头初速和最大膛压随枪管射弹数的增加而不断降低的主要原因为:不断发展的内膛损伤使得内膛尺寸扩大,导致弹头轴向阻力不断降低㊁弹后空间不断增大,二者均不利于弹后压力的建立,进而使得火药燃烧速度降低,最终表现为最大膛压和弹头枪口速度降低㊂3.3　枪管内膛损伤对弹头出膛状态的影响进行枪管寿命试验时,枪管寿终的判定标准[2]为:初速下降率超过15%;椭圆弹孔(长轴与短轴比大于1.25)率超过射弹数的50%;连续3靶散布密集度平均值R 50≥30cm.仿真计算与试验结果均表明,寿终枪管的弹头初速下降率远没有达到15%的阈值(寿终枪管的弹头初速仅下降了5.25%)㊂试验结果表明,枪管寿终时往往椭圆弹孔率超标,由此可知,弹头的出膛状态改变使得其外弹道过程随之改变,是导致12.7mm 机枪寿终的直接原因㊂在3.2节获得了枪管在4个寿命阶段所发射弹头枪口初速的基础上,要对弹头的外弹道过程进行分析,还需要获得弹头的出膛状态即膛口初始扰动状态和弹头表面形貌状态㊂3.3.1　内膛损伤对弹头初始扰动的影响如引言中所述,弹头膛口初始扰动主要包括α0㊁α㊃0及β0.本文利用Abaqus 软件在弹头质心建立局部坐标系,并采取在其与地面坐标系之间建立无约束的连接器方法获得枪管在4个寿命阶段发射弹头的膛口初始扰动参数,如表1所示㊂初始摆动角㊁初始摆动角速度随射弹数增加的变化趋势如图15427。

火炮振动与控制研究现状发布时间：2022-08-29T10:23:10.811Z 来源：《科学与技术》2022年第30卷第8期作者：毛亚康王晓江谢超仝波李元林[导读] 火炮振动与控制在新型火炮设计和现有火炮改型设计的各个环节中占有重要地位，引起各国的普遍重视。

毛亚康王晓江谢超仝波李元林中国人民解放军69236部队新疆沙湾县 832106摘要：火炮振动与控制在新型火炮设计和现有火炮改型设计的各个环节中占有重要地位，引起各国的普遍重视。

因火炮振动涉及到多种物理场的耦合，且非线性、瞬态性强，其研究具有相当的难度。

各国火炮科研人员在该领域进行了大量的理论和试验研究。

近年来火炮振动与控制的研究进展主要集中在弹炮耦合和火炮振动与系统优化，下文将对其展开阐述。

关键词：火炮振动；控制；研究；现状1火炮振动与控制研究现状1.1弹炮耦合弹炮耦合研究身管在火药气体和弹丸碰撞联合激励下的炮口振动及弹丸起始扰动，炮口振动的控制有助于提高射击精度。

通过研究膛线、坡膛、身管弯曲等身管结构特征，弹丸质量偏心、弹带等弹丸结构特征，弹炮间隙、摩擦特性等配合关系对炮口振动的影响，指导身管和弹丸关键特征参数的优化设计，提升射击精度。

面对精确火力打击的作战需求，弹炮耦合对研究炮射制导弹药与发射环境的适应性具有重要理论意义。

弹炮耦合接触/碰撞有限元建模理论与方法已趋于成熟，如将双线性本构模型等用于弹带材料建模。

火药燃气压力作用于身管内壁并随弹丸运动而变化的荷载条件建模方法，解决了以往燃气压力径向效应加载不准甚至无法加载的问题，获得了轴向不同位置热冲击载荷差异性引起的轴向非均匀温度分布及轴向温度梯度。

弹丸挤进身管内膛仿真有效模拟了弹带材料的挤压变形、刻槽过程、挤进阻力和挤进速度，对火炮挤进压力的假设进行了修正。

有研究人员建立了挤进系统的流固耦合计算模型，通过火炮发射试验进行了验证，并进行了挤进系统优化设计。

进一步建立了考虑真实挤进速度的两相流内弹道与弹炮相互作用有限元耦合模型，探索了能量转化过程，为提高能源效率进行了优化。

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某加农炮身管内膛烧蚀磨损对内弹道性能的影响
张进忠;宋卫东
【期刊名称】《军械工程学院学报》
【年(卷),期】2004(016)003
【摘要】通过对某加农炮的身管烧蚀磨损特征数据进行分析整理,确定了身管烧蚀磨损特征面,采用了多特征面来表述火炮内弹道性能变化.将该研究方法具体用于某加农炮身管特性的研究,建立了该加农炮的内弹道性能与其身管内膛烧蚀磨损特征量之间的关系模型.
【总页数】4页(P14-16,21)
【作者】张进忠;宋卫东
【作者单位】军械工程学院火炮工程系,河北,石家庄,050003;军械工程学院火炮工程系,河北,石家庄,050003
【正文语种】中文
【中图分类】TJ34;TJ012.1
【相关文献】
1.火炮身管内膛烧蚀磨损特征量表述模型 [J], 宋卫东;张进忠
2.自修复技术对减轻身管内膛烧蚀磨损的研究 [J], 赵新生;于伟;于旭东;白雪莲
3.身管磨损对内弹道性能的影响 [J], 贠来峰;侯日升;陈涛;邱从礼
4.内膛损伤枪管对内弹道性能和弹头出膛状态的影响研究 [J], 沈超;周克栋;陆野;乔自平
5.基于全膛烧蚀磨损特征的火炮内弹道仿真研究 [J], 金文奇;宁金贵;王剑;邓波
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多参数变化对埋头弹火炮内弹道性能的影响王加刚;余永刚;郭飞;周良梁【摘要】为了给埋头弹内弹道设计提供理论依据,研究了埋头弹装填参数变化对内弹道过程的影响.基于两次点火及火药程序燃烧控制技术,开展了35 mm埋头弹火炮内弹道性能试验,并建立埋头弹两次点火的内弹道理论模型,计算值与实测值吻合较好.在此基础上,分析了主装药装药量、弹丸质量、药室容积、火药力等参数变化对埋头弹火炮内弹道性能的影响,研究结果对指导埋头弹火炮内弹道设计有一定的参考价值.【期刊名称】《弹道学报》【年(卷),期】2015(027)002【总页数】5页(P69-73)【关键词】埋头弹;内弹道;二次点火;数值模拟【作者】王加刚;余永刚;郭飞;周良梁【作者单位】南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094;中国兵器装备集团公司第497厂,重庆400071;南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094;中国兵器装备集团公司第497厂,重庆400071;南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ012.1埋头弹火炮是一种具有旋转药室、炮塔结构紧凑，可有效提高现役战车威力的新型火炮。

而采用的埋头弹药，其弹丸镶嵌在圆柱形药筒内，大大缩短了整个弹药的长度，通过适当增加药筒的直径，增加了装药量，使弹药的整体性能提高，同时圆柱形的药筒结构简化了供弹机设计，节省了弹药的储存空间［1］。

埋头弹作为一种特殊结构的新型弹药，采用二次点火及火药程序燃烧新原理，与传统弹药相比，两者在结构和原理上都存在着明显差异。

因此，研究埋头弹火炮的内弹道特性具有重要意义。

国内外学者已开展了一系列研究，Kelly［1］报道了埋头弹药的新型密封技术进展；张浩等人［2－3］研究了埋头弹火炮密封结构与装药结构，从理论上分析了埋头弹丸的挤进过程；陆欣、李炜等人［4－6］建立了埋头弹火炮零维内弹道模型和一维两相流模型，并进行了数值模拟和优化设计；董彦诚等人［7］对小口径埋头弹火炮的内弹道及装药结构进行了分析。

基于 GTN 损伤模型的坡膛损伤数值分析顾 玮1 ，伍铁军1，于 洋( 1． 南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)( 2． 73906 部队，江苏 南京 210028 )摘要: 针对火炮身管在射击过程中形成的横向裂纹，运用弹塑性有限元接触理论，基于 GTN 细观损伤原理，引入了坡膛材料的初始损伤及累计损伤模型。

对弹带挤进冲击坡膛的过程进行了模 拟数值分析，建立了弹带挤进冲击坡膛的显式非线性有限元模型。

对在两种不同结构坡膛条件 下的弹带挤进过程进行分析计算，得到了挤进过程坡膛的动力学响应，并通过计算分析了坡膛结 构变化对挤进冲击力的影响，得出相应规律性结论，揭示了坡膛结构因素所导致的内膛出现横向 裂纹的形成机理。

关键词: 火炮; 坡膛结构; 冲击; 细观损伤; 非线性; 有限元 中图分类号: TP391． 9文献标识码: A文章编号: 2095 － 509X( 2014) 03 － 0027 － 03火炮的发射涉及到弹带挤进坡膛的过程，弹带材料在挤进坡膛的过程中，膛壁受挤压作用而产生 大变形。

由于挤进时间很短，因此伴随着挤进过程 坡膛材料出现了高应变率、温度升高、应力软化等 一系列复杂的非线性力学形态，分别涉及非线性问 题的三大方面: 材料非线性、几何非线性和边界条 件非线性。

工程和学术界针对冲击问题建立的本 构模型主要分为两大类，一类为纯粹经验型的，而 另一类则为高度理论化的。

其中，经验式的公式往 往是基于实验结果的，而理论化的公式多是由材料 的细观模型导出［1］。

本文基于 GTN 细观损伤模型，建立弹带材料的初始损伤及累计损伤失效模型，运用显式非线性 有限元算法对两种不同结构坡膛的挤进过程进行 瞬态动力学的数值模拟，研究了坡膛结构变化对弹 带挤进冲击身管内壁的影响，为从力学角度揭示火 炮坡膛裂纹形成机理奠定了理论基础。

珚σ 为微观层面的等效应力; q 1 ，q 2 ，q 3 为修正参数; f *是总的等效孔洞体积分数，是孔洞体积分数 f 的函数，用于解释由于孔洞聚合导致材料承载能力下降 的现象。

考虑弹丸动态冲击条件下的内弹道性能研究邱从礼;侯日升;赵锋;游毓聪【摘要】研究了弹丸动态冲击对火炮初速、最大膛压等内弹道性能的影响.针对某火炮弹炮配合后弹丸存在较长自由行程的特点,考虑弹丸挤进时的动态冲击效应,建立了挤进阻力计算模型,应用两相流内弹道理论计算了其内弹道性能.进行了该火炮的内弹道性能试验,计算结果与试验值吻合较好.研究表明弹丸动态冲击条件下,最大膛压下降,初速降低.【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2014(034)004【总页数】4页(P140-142,147)【关键词】内弹道;自由行程;动态冲击;两相流【作者】邱从礼;侯日升;赵锋;游毓聪【作者单位】中国华阴兵器试验中心,陕西华阴714200;中国华阴兵器试验中心,陕西华阴714200;中国华阴兵器试验中心,陕西华阴714200;中国华阴兵器试验中心,陕西华阴714200【正文语种】中文【中图分类】TJ012.10 引言某型炮弹作为参比弹在两门弹道炮上测得的最大膛压试验结果相差29.5 MPa，其中膛压较低的弹道炮与战斗炮尺寸相同，该弹道炮试后经弹炮配合测量发现:药筒斜肩部和火炮第二锥接触定位后，弹带直径起始点与坡膛距离为6.9 mm。

而膛压较高的弹道炮弹带直径起始点与坡膛距离仅为1 mm。

有了这一段自由行程，弹丸克服拔弹力，自由加速6.9 mm后，便以一定的速度（50 m/s左右）撞击坡膛，弹带冲击嵌入膛线，具有较为明显的动态冲击效应，材料的力学性能和摩擦系数相应发生改变，这些变化使得弹丸在内弹道初期的挤进过程中，挤进压力和挤进时间均发生变化，导致整个内弹道过程发生改变，并影响最终的试验结果。

文中根据弹炮配合结构特点和动态冲击作用，建立了动态冲击状态下的弹丸挤进模型，利用内弹道两相流理论，对内弹道性能进行了求解，计算结果与试验吻合较好。

计算和分析表明，由于弹丸在内弹道初期存在自由加速过程，并以相当大的速度冲击并嵌入膛线，弹带动态冲击效应对内弹道性能影响较大。