122mm榴弹炮炮身设计.doc

中北大学2012届毕业设计说明书1 绪论 榴弹炮作为最早登场的陆军武器之一，历经了几百年沧桑。随着科学技术的不断发展，不断采用新原理、新能源、新技术和新材料加以改进，已经形成了独特的优势。现代化的牵引式榴弹炮已经不是技术落后兵器。大多数现代牵引式火炮可在几分钟内进入和撤出战斗，采用了计算机化火控系统后可以保证首发命中，减少了毁伤目标所需的时间和弹药。榴弹炮是战斗性能优良的野战炮，用于杀伤敌人有生力量，破坏敌方的工事、地堡、指挥所等军事设施，实行多种战斗任务，战斗用途广泛。他们凭借着重量轻、容易进行长途运输、成本低、适用于山地战等优势，在当今陆军武器中，仍然具有不可替代的作用。榴弹炮安吉东方市可分为牵引式和自行式两种。1.1概述 榴弹炮是发射榴弹的火炮，是一种身管较短，弹道比较弯曲，适合于打击隐蔽目标和面目标的中程火炮。 最早的榴弹炮是起源于15世纪意大利、德国的一种炮管较短、射角较大、弹道弯曲、发射石散弹的滑膛炮。在16世纪中期，榴弹炮开始采用木制信管的球形爆破弹，可用来杀伤陆战场的敌方步兵，也可用于攻城。 16世纪下半叶出现了爆炸弹。17世纪，在欧洲正式出现了榴弹炮的名称，它是指发射爆炸弹、射角较大的火炮，最先装备榴弹炮的事由荷兰裔士兵组成的英国部队。 到了19世纪下半期，出现了后装线膛榴弹炮，能发射长圆柱弹丸，威力更为强大。榴弹炮广泛用于野战，成为一张野战炮。 一战时榴弹炮炮身长为15-22倍口径，最大射程达14.2公里。 二战时榴弹炮炮身长为20-30倍口径，最大射程达18公里，初速为635米/秒，最大射角65度。 目前，榴弹炮炮身长为45倍口径，英国的As90式155毫米自行炮正在研制52倍口径，最大射程为24公里，采用火箭增程弹可达30公里，初速为827米/秒，最大射角75度。这种长身管的榴弹炮同时又被称为加榴炮。1.2 炮身的作用及组成炮身作为火炮的主要组成部件，它的主要作用是承受火药气体压力和导引弹丸运动，赋予弹丸一定的飞行方向，一定的初速和旋转速度，以保证弹丸在空气中飞行的稳定性，从而准确的把一定质量的弹丸抛射到一定距离的目标上。发射时火药气体的压力使弹带嵌入膛线内，并推动弹丸在炮膛内向前运动，同时阳线通过弹带迫使弹丸旋转。于是弹丸在出炮口时便具有一定的飞行速度和旋转速度。炮身主要包括身管、炮尾、炮闩、卡板和炮身托环等零件。1.3 身管的结构特点在身管设计中，通常有两种分类法，根据炮膛结构，可分为滑膛，线膛，半滑膛和锥膛。根据身管结构可分为普通单筒身管，增强身管和可分解身管。我国现装配的制式火炮基本上都采用普通单筒身管；增强身管包括筒紧身管，丝紧身管和自紧身管；可分解身管包括活动衬管，活动身管和带被筒的单筒身管，各类身管有各自的优缺点。身管的内膛称为炮膛，炮膛可分为线膛和滑膛两种。一般线膛身管由药室部，坡膛和线膛部组成。药室为身管内膛后部扩大部分，它的容积有内弹道设计决定，而结构形式主要决定于火炮的特性，弹药的结构和装药方式。本火炮拟采用药筒定装式的药室。坡膛是药室与线膛部的过度段，主要作用是连接药室与线膛部；发射时弹带由此切入膛线。坡膛应具有一定的锥度，锥度的大小与弹带的结构，材料和炮身的寿命等有关。常用坡膛锥度是1/5-1/10,为了减小坡膛的摩擦8，可采用两段圆锥组成的坡膛，为了保证弹丸定位的可靠，第一段圆锥锥度应大些，一般取1/10；为了减小磨损，第二段圆锥锥度应小些，一般取为1/30-1/60。膛线是指在身管内表面上制造出的与身管轴线具有一定倾斜角度的螺旋槽。通常将膛线分为三类：等齐膛线，渐速膛线和混合膛线。综合考虑各类膛线的优缺点9,10，本火炮拟采用减速膛线。1.4 身管设计的步骤（1）根据设计要求，解出的内弹道数据，分别计算p-l、p-t、v-l、v-t变化 规律并做出曲线图；（2）绘制发射时身管壁的高低温压力曲线，做出身管的理论强度曲线；（3）根据强度要求确定身管的身管理论外形；（4）根据总体要求和身管与摇架、炮尾、炮口制退器的连接对理论外形进行调整；（5）根据调整后的外形尺寸，校核身管的实际强度；（6）根据调整后的外形尺寸，绘制身管三维图，并计算质量；（7）绘制身管零件图。1.5 设计内容及目的对122mm榴弹炮身管进行设计，由已知参数通过编制程序做内弹道计算；编程确定身管各组成构件的理论外型尺寸并进行调整；绘制二维工程图，建立三维实体模型。通过设计研究，深刻了解该炮各组成部分的结构和工作原理，明确身管设计的基本思路和方法。同时，在设计过程中，对其中存在的问题和不足进行优化设计，从而提高该火炮的战术技术性能。2 内弹道计算2.1概述内弹道计算是整个内弹道设计和身管设计过程的理论基础，它是对火炮的射击现象进行理论分析，并用一系列假设来简化复杂过程，从而建立数学方程式，将炮膛结构诸元和装药条件与射击结果联系起来。内弹道设计也称内弹道反面计算，在已知口径d、弹重m、炮口速度vc、火药品种及最大压力pm的条件下，计算出满足上述条件的装填条件和膛内构造诸元。根据内弹道学的基本方程求出p-l、v-l、p-t和v-t的内弹道诸元曲线，为火炮弹药系统设计及弹道性能分析提供基本数据。122mm榴弹炮是9/7和4/1的混合装药。混合装药是两种或两种以上不用类型的火药组成的装药。 为了进行内弹道计算，我们必须将体现射击现象物理实质的方程组综合进行计算。但是由于射击现象的复杂性，以及我们目前认识的局限性，对膛内的各种现象认识也不完善，甚至有些现象还没有认识到。所以，在建立内弹道方程组时，我们只能根据现有的认识水平来分析膛内的各种矛盾，并抓住其中的主要矛盾来建立方程组，对于一些次要的矛盾则忽略不计。因此，为了进行内弹道计算，必须提出以下假设：2.2内弹道基本假设 1) 火药燃烧遵循几何燃烧定律。2) 药粒均在平均压力下燃烧，且遵循燃烧速度定律。3) 内膛表面热散失用减小火药力或增加比热比的方法间接修正。4) 用系数来考虑其他的次要功。5) 弹带挤进膛线是瞬时完成，以一定的挤进压力标志弹丸的挤进条件。6) 火药燃气服从诺贝尔阿贝尔状态方程。7) 单位质量火药燃烧所放出的能量及生成的燃气的燃烧温度均为定值，在以后膨胀做功过程中，燃气组分变化不予计及，因此虽然燃气温度因膨胀而下降，但火药力、余容及比热比等均视为常数。8) 弹带挤入膛线后，密闭良好，不存在漏气现象。混合装药补充假设：1）混合装药中各种火药存在性能、形状或尺寸的不同；2）混合装药中各种火药生成的燃气瞬时混合，不考虑混合过程。混合燃气的质量、能量等于各单一火药燃气相应的质量、能量之和；3）只求解混合燃气的平均压力，不考虑单一火药燃气的分压问题。2.3 火药几何燃烧规律1) 装药的所有药粒具有均一的理化性质，以及完全相同的几何形状和尺寸。2) 所有药粒表面都同时着火。3) 所有药粒具有相同的燃烧环境，因此燃烧面各个方向上燃烧速度相同。2.4 内弹道已知参数根据已知给定参数，将内弹道计算所要的参数综合如下表2.1所示： 表2.1 内弹道计算参数口径d（mm）122启动压力P0(Mpa)30弹丸重量q（kg）21.76次要功系数k1.06炮膛横截面积S（m2）0.012装药量（kg）2.07药室扩大系数1.1火药热力系数0.24装填密度/（kg/dm3）0.55弹丸相对行程长7.58火药种类9/7装药量（kg）1.76火药力f（J/kg）100000燃速系数1m/(sPan)0.75e-8燃速指数n0.804火药密度（kg/m3）1.60孔道直径d0(mm)0.5药粒直径D0（mm）5.6火药厚度e1（mm）0.5125药粒长度c（mm）6.025余容（m3/kg）0.001火药种类4/1装药量（kg）0.31火药力f（J/kg）100000燃速系数1m/(sPan)0.75e-8燃速指数n0.804火药密度（kg/m3）1.60火药厚度e1（mm）0.2375 药粒长度c（mm）3.25余容（m3/kg）0.0012.5 混合装药计算第一种火药的装药量为1，第二种火药的装药量为2，则总装药量为： =1+2各单一火药在装药中所占的比例为 1= 2=并且可得 1+2=1若Z1和Z2分别表示各单一火药的已燃相对厚度，则 对于大多数的混合装药，两种火药的理化性能接近，它的燃速系数和火药力差别不大，因此可取 u11=u12 2.6 内弹道方程组1） 体现火药燃烧时气体生成规律的几何燃烧定律方程： 第一种装药（9/7）： 分裂前 分裂后 火药的形状特征量： 第二种装药（4/1）： 火药的形状特征量： 几何燃烧定律方程为： 2） 体现火药燃烧时气体生成规律的速度燃烧定律的方程 3） 体现弹丸运动以及考虑各种次要功的弹丸运动方程 4） 体现弹丸速度和形成关系的方程 5） 体现膛内气体状态以能量装换过程的内弹道学基本方程 式中： 上述方程是在上述假设基础上建立起来的，组成了内弹道方程组，把以上方程通过数学变换可以得到以下方程组： 常量计算公式： 以上微分方程和代数方程组成了内弹道的数学模型，是本次编写内弹道计算程序的依据。2.7 内弹道问题的计算机求解利用计算机求解以上的内弹道问题，可以具体考虑各种装填条件的实际情况，而不需要像查表那样做过多的限制和简化，本程序所解决的是122mm榴弹炮采用9/7和4/1火药发射杀伤榴弹时的内弹道参量，主要求炮口速度和最大膛压两个重要参量，并绘制P-L,P-t,v-L.v-t曲线。编写内弹道程序有两种方法，一种是直接调用系统的ode45，另一种是自己编写龙格库塔方程，本次选择第一种。内弹道问题的计算机求解流程图如图2.1所示。开始调用RK子程序输入原始数据常数计算初值计算最大压力点点否燃烧分裂点和结束点调用RK子程序调用RK子程序输出结果炮口点 否 是否 是 图2.1 内弹道主程序框图2.8 编写程序进行内弹道计算 得出数据如表2.2所示： 029.97500 0.1731434.8452.8520.0024072 0.3462940.346.16050.01014 0.5194346.5139.98280.024038 0.6925753.4114.3810.045041 0.8657261.07719.420.074205 1.038969.54625.170.1127 1.21278.84231.7030.16183 1.385188.97139.0930.22299 1.558399.91747.4110.29773 1.7314111.6456.7280.38773 1.9046124.0967.1370.49471 2.0777137.1678.6980.6206 2.2509150.6591.3960.76753 2.424164.32105.230.93757 2.5971177.97120.211.1327 2.7703191.38136.351.3549 2.9434202.28153.691.6059 3.1166202.78171.561.8875 3.2897200.67189.352.1999 3.4629196.25206.862.543 3.636189.93223.892.916 3.8092181.05240.283.3179 3.9823171.09255.83.7475 4.1554161.58270.454.2032 4.3286152.55284.294.6836 4.5017144.03297.365.1873 4.6749136.03309.75.7129 4.848128.53321.356.2593 5.0212121.53332.376.8253 5.1943115342.797.4099 5.3674108.91352.658.012 5.5406103.253628.6308 5.713797.976370.869.2653 5.886993.07379.289.9147 6.0688.503387.2810.578 6.233284.249394.8911.256 6.406380.285402.1311.946 6.579476.588409.0512.648 6.752673.138415.6413.362 6.925769.914421.9414.087 7.098966.9427.9714.823 7.27264.079433.7415.569 7.445261.435439.2716.325 7.618358.955444.5817.09 7.791456.627449.6717.864 7.964654.439454.5618.647 8.137752.38459.2719.438 8.310950.441463.820.237 8.48448.612468.1621.044 8.657246.887472.3721.858 8.830345.256476.4322.68 9.003443.714480.3523.508 9.176642.255484.1424.343 9.349740.872487.825.185 9.522939.56491.3526.032 9.69638.316494.7826.886 9.869237.133498.127.745 10.04236.008501.3228.611 10.38433.948515.430.332通过运行结果分别可以绘出122mm榴弹炮曲线，如图所2.9 计算药室长度 2.10 计算身管全长 3 身管设计及计算3.1 概述身管是炮身的主要零件，发射时承受高温高压高速火药气体的作用，身管种类主要有单筒身管、活动身管、增强身管。122mm榴弹炮弹丸初速为515m/s，初速较低，膛压较低，从综合方面考虑，炮身选择单筒炮身即可。单筒炮身是一个单层的圆筒，射击前没有人为的预应力，这种身管的优点是结构简单，工艺性好，制造成本低。身管外面用被筒来增加后座部分质量，被筒和身管是间隙配合，被筒不承受火药气体的压力。此外，被筒还起连接身管和炮尾的作用。火炮在各种复杂情况下射击时，身管都必须有足够的强度，即身管在火药气体压力下，不但不能产生破裂，而且内表面不能产生塑性变形，即身管内压不能超过单筒身管弹性强度极限。单筒身管的弹性强度极限根据第二强度理论（最大线应变理论）计算。单筒身管的强度主要是根据身管弹性强度极限确定的。设计时，根据已确定的强度选取身管的材料和确定外半径。身管弹性强度极限是身管强度设计的基本依据，由于作用在身管个横截面的压力和身管各部要求的安全系数不尽相同，各横截面的理论弹性强度极限也不同，运用高低温压力法画出身管理论强度极限。身管外形设计时，除满足强度要求外，还必须满足火炮总体对身管的要求。3.2 计算并绘制高低温压力曲线3.2.1 相关参量计算方程 药室自由容积缩颈长 (3.1)药室扩大系数 (3.2)装填密度 (3.3)弹丸相对行程长 (3.4)系数 (3.5)次要功计算系数 (3.6)3.2.2 已知条件口径：弹丸质量：药室容积：炮膛横截面积：装药量：弹丸行程长：药室长：最大膛压：采用硝化棉火药，无护膛剂。3.2.3 计算相关参量 由查表3.1得压力全冲量系数： 表3.1 0.10.20.30.40.50.60.70.8500100015002000250030003500400045000.921.021.021.280.960.591.001.331.401.411.280.980.500.921.411.501.531.501.401.231.030.800.801.321.431.491.501.501.451.361.240.701.191.321.401.461.501.511.481.420.631.081.221.321.401.461.501.501.480.570.981.131.241.331.401.441.461.47 因为采用硝化棉火药，所以温度修正系数 因为身管全长 比值 因此取 又因 所以次要功计算系数 3.2.4 确定高温膛底最大压力 3.2.5 确定高温弹底最大压力 取，则 3.2.6 确定高温弹道最大压力 3.2.7 确定 根据，由内弹道压力表进行插值求出B=1.522，按B=1.5和1.6的插值可求得，插值数据均列于表3.2中。 表3.2 差值数据 B 1.5 1.5221.61.562 1.6111.789223.4218.07198.80.6700.6690.666263925762483所以 由此可求得 于是 所以 由此可得高低温压力曲线上三点，现将以上计算的数据综合如下： 相邻两点间用直线相连起来，可得到药室底到高温最大压力点向前1.5d的身管设计压力曲线。3.2.8 确定燃烧结束点压力曲线 根据，由内弹道压力表进行插值求出B=2.188，按B=2.1和2.2插值可求得，插值数据均列于表3.3中B2.12.1882.23.3113.66923.718111.6101.1399.70.6440.63970.638195818921883所以 这说明，此炮身管的设计压力曲线包括炮口段的-40的曲线。 由之间的燃烧结束点弹底压力，利用压力表（）及间的各及对应的和换算出各对应的和，结果见表3.4： 表3.4 对应和的值1.6111.7892.0402.3162.61812.9473.3113.669506.13562.1640.9727.62822.5925.861040.21152.7799.1855.1933.91020.61115.51218.91333.11445.7218.07198.8176.7157.1140.0125.0111.6101.13211.4192.7171.3152.3135.7121.2108.298.1其中：由对应的及值就可以求出由之间，即C到D点间的身管设计压力曲线。3.2.9 确定炮口段-40的压力曲线 根据已经得到的-40时的，通过内弹道表（）求出对应的压力曲线。由到炮口之间的P和以及用上面式子换算得到的和L数据均列于表3.5中： 表3.5 对应和L的值3.6694.04.55.05.56.06.51152.71256.71413.81570.91727.91885.02042.11445.71549.71706.71863.92020.921782333.5101.1392.181.272.365.059.053.998.089.378.770.163.157.252.37.07.57.582399.12687.5274026912848.53034.649.746.045.548.244.644.1其中： 这样可作出由D-E的设计压力曲线。归纳以上的结果，可得出设计压力曲线之间的关系，见表3.6： ABC0670.2799.1855.1933.91020.61115.51218.91333.2258.7247.3211.4192.7171.3152.3135.7121.2108.2D1445.7154917061863.92020.921782333.526912848.598.189.378.770.163.157.252.348.244.6E3034.644.11 表3.6 对应的Pd+和L值根据以上计算结果，绘制出高低温压力曲线。3.3 确定和绘制身管的理论强度曲线3.3.1 药室部 由于安全系数为1，由药室底到膛线起点的理论强度曲线与前面求出的高低温压力曲线相重合。3.3.2 膛线部 高温最大膛压点身管理论强度极限为（） 由高低温压力曲线可得膛线起点处（）的压力最大值约251.7MPa。故此处身管理论强度极限为 把上述两点用直线连接。3.3.3 炮口部 取安全系数 炮口端面的理论强度极限为（） 距炮口端面25mm处的理论强度极限为（ ) 3.3.4 最大压力点到离炮口25mm处 采用n=1.1到n=1.9的直线变化规律，具体见图3.2： 图3.2 身管安全系数身管各部位参数均位于表3.7中L0448448670.2799.1855.1933.91020.61115.51333.2P258.7251.7251.7247.3211.4192.7171.3152.3135.7108.2n111.11.11.1471.1691.2021.2371.1761.365P1258.7251.7276.8272.03242.4225.26205.9188.4159.6147.7L1445.7154917061863.92020.921782333.526912848.53034.6P198.189.378.770.163.157.252.348.244.644.11n1.411.4531.5171.5811.6451.7091.7731.8371.91.9P1138.321129.7119.38110.8103.897.7592.7288.543484.7483.809根据上表的计算结果绘制出身管理论强度极限曲线如图3.3所示： 图3.3 身管理论强度曲线3.4 根据强度要求确定身管的理论外形3.4.1 确定药室的外径（1）药室底的外径 （2）距膛底353mm处 （3） 距膛底392mm处 3.4.2 确定最大压力部外径 3.4.3 确定炮口部的外径 炮口端面 计算结果如表所示： 表 身管各部位参数距膛底距离药室部最大膛压部炮口部5.83533954483034内径134.1127.8123.95121.94121.94作用在身管上的内压P/MPa261.4255.4254.7279.183.8安全系数n1.01.01.01.11.9弹性强度极限261.4255.4254.7279.183.8外径198.93187.47181.59187.23136.391.631.4671.4651.5351.1193.5 身管外形的设计身管设计时，除必须满足强度要求外，还必须满足火炮总体对身管的要求。一般的要求为：1) 身管与其他零部件，如炮尾、炮口制退器等要连接可靠，拆装方便。2) 身管的外形应满足炮身后坐与复进的导向要求。3) 身管的重量和重心位置应满足火炮总体的要求。4) 身管应具有足够的刚度。5) 身管外形的工艺性要好。根据总体要求和身管与摇架、炮尾、炮口制退器的连接对理论外形进行调整。3.5.1 身管与跑尾的连接在122榴弹炮中，采用被筒连接的方式。这种连接方式要求螺纹置于被筒后端，与炮尾前端的螺纹相配合，身管后端做一凸肩来与被筒和炮尾相配合，被筒的作用是可承受较大的单向轴向力。3.5.2 炮身后坐复进的导向方式对身管外形的要求122榴弹炮采用筒形摇架，所以身管与摇架的配合面要做成圆柱形（1） 导向圆柱面的长度，为摇架导向部长于炮身后坐极限长之和。（2） 导向圆柱面的直径，应保证身管强度，同时应考虑身管重量、重心位置和身管的工艺性。3.6 计算身管的实际强度极限校核特征点的强度极限 身管的实际强度极限与对应的作用于身管壁的压力P的比值，称为实际的安全系数，即 考虑到身管与其他部件的连接有可能改变由强度设计得到的外形，故凡内外径有变换的断面上都必须求出身管承受的实际压力即身管的实际强度极限。为了计算方便，对身管内外径有变化的横截面，从身管后端面向炮口用顺序号注明，然后再计算和，并列表如下截面序号距身管后端的距离（mm）外径内径外径与内径比实际强度极限设计压力p实际安全系数要求安全系数n162401311.83359.3261.41.371260240131