沈工焦老师122毫米杀爆弹课程设计.docx

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沈工焦老师122毫米杀爆弹课程设计

摘要

炮弹设计理论课设所涉及的相主要内容是，弹丸发射安全性及堂内运动真确性分析、弹丸的飞行稳定性能设计、威力的设计。

对PL96式122毫米杀爆弹弹丸弹的各各战术技术指标进行规范的设计。

保证弹丸在膛内运动的正确性，安全性；在飞行中稳定性好；在目标区域作用可靠，威力满足要求。

炮弹设计理论课设的必须要有一定的基础知识，在计算弹体应力时，一定要有很好的数学知识，力学知识，计算飞行稳定性时，还要有弹道学的相关知识。

分析弹丸在外弹道飞行时所受空气动力和力矩。

根据有关强度理论对弹体进行校核，采用布林克法，计算每个断面内表面的三向主应力，用第二强度理论校核弹体内表面的强度。

对弹丸头螺进行分析和计算，用差值法对外弹道的五个参量进行计算并对弹丸飞行稳定性进行分析，其中包括急螺稳定性和追随稳定性。

最后对弹丸的杀伤威力和杀伤面积进行了计算。

关键词：

安全性、飞行稳定性、弹道诸元、弹丸威力

1弹丸结构总体设计分析

弹丸设计的第一步即总体方案设计。

所谓弹丸的总体设计，是根据战术技术要求来拟定弹丸最合适的口径、弹种、结构类型及弹丸质量。

本次课设为PL96式122毫米杀爆弹弹丸（如图1.1）。

本次课设弹丸口径为122mm，弹种为杀爆弹，采用旋转稳定结构，弹丸质量为21.76kg。

122mm杀爆弹结构为圆弧形弹头部，船尾装有底凹装置，弹体内腔为长圆柱形，弹体壁较厚，采用旋转稳定方式，在外弹道设计时，为保证弹丸飞行稳定性，需要从急螺稳定性、追随稳定性和动态稳定性三方面考虑，通过计算膛线缠度上下限来校核。

杀爆弹主要依靠破片的动能和爆炸冲击波的能量来杀伤有生力量，所以在弹丸设计中，主要是通过计算弹丸破片参数，杀伤面积来衡量弹丸的威力性能。

从上述确定弹丸总体设计方案为

弹丸口径的选择：

122mm

弹种的选择：

杀爆弹

弹丸结构类型的选择：

旋转稳定弹

弹丸质量：

21.76kg

图1.1弹体半剖视图

2弹丸发射安全性分析

弹丸的发射安全性是指各零件在膛内运动中都能保证足够的强度，不发生超过允许的变形，炸药﹑火工品等零件不会引起自燃，爆轰等现象，使弹丸在发射时处于安全状态。

2.1分析弹丸在膛内发射时的受力

2.1.1弹丸发射时在膛内受到的载荷

弹丸及其零件发射时在膛内所受到的载荷主要有：

火药气体压力，惯性力，装填物压力，弹带压力，均衡力，转侧力，摩擦力。

这些载荷，有的对发射强度起直接影响，有的则主要影响膛内运动的正确性，其中以火药气体压力为基本载荷。

在火药气体压力作用下，弹丸在膛内产生运动，获得一定的加速度，并由此引起其他载荷。

所有的这些载荷在作用过程中，其值都是变化的，且有些同步有些不同步，则应找到最大临界状态值对弹丸发射安全性分析，满足其要求。

2.1.2发射时弹体的受力状态和变形

发射时弹丸在上述各种载荷作用下，材料内部产生应力和变形，根据载荷变化的特点，弹丸受力变形有三个危险的临界状态，如图2.1所示的3个时刻。

1、弹丸受力和变形第一临界状态

这一临界状态相当于弹带嵌入完毕，弹带压力最大值时的情况。

这一时期的特点是:

火药气体压力及弹体上相应的其他载荷都很少，整个弹体其他区域应力和变形也很少，唯有弹带区受较大的径向压力，使其达到弹性和弹塑性径向压缩变形。

2、弹丸受力和变形的第二临界状态

这一临界状态弹丸受力和变形相当于最大膛压时期。

这一时期的特点是：

火药气体压力达到最大，弹丸加速度也达到最大，同时由于加速度而引起的惯性力均达到最大，这时弹体各部分的变形也为极大。

变形情况是：

弹头部和圆柱部在轴向惯性力作用下产生径向膨胀变形，轴向敦粗变形，弹带区与弹尾部，由于有弹带压力与火药气体压力作用，会发生径向压缩变形；弹底火药气体作用下可能产生向里弯凹，这些变形中，尤其是弹尾部与弹底区变形比较大，有可能达到弹塑性变形。

3、弹丸受力和变形的第三临界状态

这一临界状态相当于弹丸出炮口时刻。

这一时期的特点时：

弹丸的旋转角速度达到最大，与角速度有关的载荷达到最大值，但与强度有关的火药气体压力等载荷均迅速减小，弹体上变形也相应减小。

弹丸飞出炮口瞬间，大部分载荷突然卸载，将使弹体材料因弹性恢复而发生振动，这种振动会引起拉伸应力与压缩应力的相互交替作用，因此对某些抗拉强度大大低于抗压强度的脆性材料，必须考虑由于载荷突然卸载而产生的拉伸应力对弹体的影响。

2.2弹体及其零件在最大膛压时的强度计算

发射时弹体强度计算，实质上就是在求得弹体内各处应力的条件下，根据有关强度理论对弹体进行校核。

弹丸在膛内应当校核第二临界状态（膛压最大）时的强度。

已知

弹丸质量m=21.76kg

计算压力p=304MPa

金属密度=7.8g/cm3

金属泊松比

炸药密度=1.59g/cm3

膛线缠度

炮口初速v0=715m/s

2.2.1发射时弹体强度计算

在膛压最大时，弹体受到的膛内火药气体压力作用达到最大，加速度也达到最大，因而惯性力、装填物压力等均达到最大值。

相比之下，弹带压力下降很多，故可将弹带压力略去。

另外此时期弹丸的旋转角尚很小，在应力计算过程中可以略去由旋转产生应力。

此时期必须对整个弹体所有部位都进行强度校核，实际上是在整个弹体上找出最危险断面（应力最大断面），并对最危险断面进行强度校核。

常采用布林克法，将弹体简化成为无限长壁厚圆筒，并将弹体分成若干断面，计算每个断面内表面的三向主应力，用第二强度理论校核弹体内表面的强度。

对于旋转弹丸，如不计旋转的影响，其三向应力分别为

（2.1）

式中符号，正号表示拉伸，负号表示压缩。

最大危险断面可能发生在弹尾区，也可能发生在弹带槽处，（因为这些断面处面积较小）。

1、在弹体上取三个最危险断面，1-1断面在上定心部下沿、2-2断面下定心部下沿、3-3断面在下弹带槽下沿，如下图所示。

图2.1122mm弹体危险截面图

2、由图纸查出三个断面的内外半径，并用特征数计算方法分别计算出这三个断面以上弹体联系质量和炸药的质量，数据如表2.1所示

表2.1122mm弹体断面有关数据

断面号

1-1断面6.04.513.6161.433

2-2断面6.054.521.8052.462

3-3断面6.14.627.7922.887

3、计算各断面内表面处的应力

用公式

（2.2）

4、通过内弹道计算得出最大膛压时刻，弹丸的速度为940m/s

5、计算结果如表2.2所示。

表2.2122mm弹体压力

时期

断面号

轴向应力/Mpa

径向应力/Mpa

切向应力/Mpa

最大

膛压

时刻

1-1断面

-299.011

-61.01

96.556

2-2断面

-491.223

-104.82

202.28

3-3断面

-580.732

-96.53

191.28

2.3.2弹底强度计算

发射时弹体直接承受火药气体压力和惯性力的作用；使弹底部发生弯曲变形。

但变形过大可能导致其上部装填物产生较大的局部应力，甚至使弹底破坏，导致事故发生。

弹底强度计算主要从弯曲强度来考虑，实际上弹底计算中，并不需要将弹底内所有位置都计算出来，只需要考虑其中某些危险位置即可。

图2.2断面图

已知

弹丸质量m=21.76kg

装填物有效药柱质量=2.8kg

弹丸半径r=0.061m

弹底半径rd=0.03m

弹底厚度td=0.02m

弹底壁厚tb=0.024m

计算压力

弹底金属屈服极限

装填物压力

（2.3）

1、计算联系系数

（2.4）

（2.5）

（2.6）

2、计算轴向有效载荷

（2.7）

（2.8）

3、计算各危险点的应力和相当应力

第1点：

（2.9）

（2.10）

（2.11）

（2.12）

同理可计算出其他三点的应力，其值分别为

第2点：

第3点：

第4点：

根据第四理论强度，四各危险点的相应应力均符合强度条件

（2.13）

2.4进行弹丸装填物的发射安全性计算

弹丸的主要装填物是炸药，因此发射时必须保证发射时的安全性。

发射时炸药中作用有惯性力和相应的压力并使炸药内部产生一定的变形，或者发生颗粒间的相对移动和摩擦，从而导至热现象。

同时在发射时必须限制炸药内的最大应力。

在弹底断面上，炸药受压应力达到最大值，即

（2.14）

式中——弹底内腔半径

——炸药柱质量。

TNT（柱装）炸药的允许应力查课本表3.10，

炸药发射时的安全性条件为

（2.15）

3弹丸弹道计算与飞行稳定性分析

为了保证弹丸良好的飞行性能，弹丸必需具有最佳的空气动力外形；确实可靠的飞行稳定性；弹丸还应具有尽可能小的散布。

这些都是弹丸飞行稳定性能设计要涉及的基本内容。

3.1分析弹丸在外弹道飞行时所受空气动力和力矩

通过弹丸质心建立右手直角坐标系oxyz。

ox与弹轴的夹角称为章动角（或攻角），相应的平面称为阻力面。

oy在阻力面内，与ox轴垂直；oz轴则与阻力面垂直。

在ox上的分量称为正面阻力，以Rx表示；在oy上的分量称为升力，以Ry表示；在oz上的分量称为侧向力，以Rz表示。

在一般情况下，弹丸都有正面阻力；如有攻角，升力。

对于旋转旋转弹丸，当存在攻角时，还将出现侧向力，即马格努斯力。

3.2弹丸在外弹道上攻角为零时的空气阻力系数的计算

弹丸全部正面阻力可分解为头部波阻、尾部波阻、摩擦阻力及底部阻力四部分。

已知条件：

弹头部相对长度=2.6505

弹丸全长L=664.81mm

尾锥角=7°

弹底面积与最大横断面积之比

弹丸侧面积与最大横断面积之比=14.84

先求出以下参数：

（3.1）

（3.2）（3.3）

（3.4）

1、头部波阻—由弹头部激波阻力一起的阻力系数

圆弧形头部阻力系数

（3.5）

式中——弹丸飞行马赫数；

——圆弧形头部的相对长度；

——圆弧形头部的半顶角。

此公式适用范围是，。

2、尾锥波阻系数

（3.6）

式中——尾锥角；

——弹底部横截面积；

——弹丸最大横截面积。

3、摩擦阻力系数—由于气流粘性引起的摩擦阻力系数。

当雷诺数为时，

（3.7）

式中——雷诺数；

——空气的运动粘性系数；

——弹丸侧面积。

4、底部阻力系数，由底部负压引起的底部阻力系数。

（3.8）

5、弹丸总阻力系数，将以上阻力相加即可求得弹丸总阻力系数。

（3.9）

6、弹形系数

（3.10）7、计算弹道系数

（3.11）

式中i=0.985

m=21.76kg

d=0.122m

得c=0.674

3.3弹丸的外弹道参量的计算

外弹道解法主要分为三大类：

数值积分法、近似分析法和弹道表解法。

其中弹道表解法最为常用。

所谓弹道表解法，是指应用某个阻力定律和标准条件下所编的弹道表进行诸元或修正诸元的查算和反查算。

本次计算使用43年阻力定律。

已知=0.674、=715m/s、=45°，应用地面火炮外弹道表，查得弹道诸元数据如下表所示。

表3.1射程X（m）

v0（m/s）

c

700

715

750

0.65

16375

17525

0.674

0.7

15700

16764

表3.2飞行时间T（s）

v0（m/s