弹丸课程设计.doc
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1、 沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书1 弹丸半备图的绘制由提供的152mm加农榴弹炮杀伤爆破弹弹丸弹体图,应用AutoCAD绘制弹体和半备弹丸图。1)绘图前先设置图线、图层;2)不同类型的对象绘制在不同的图层上,利于以后修改;3)设置线宽显示比例,使粗细线显示协调;4)标注前先设置标注样式,包括非圆直径、角度、标准标注等;5)将图形缩小到A3图纸后,应注意放大线宽。 所绘152毫米加农榴弹炮杀伤爆破弹弹体如附图1,半备弹丸如附图2。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
2、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
3、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、时刻。 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,弹带压力达最大值时(如图2.1的点处)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。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(图1.1的的处)。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
4、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如图2.3所示,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。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(图2.1的点处)。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
5、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强度计算2.2.1 弹体在最大膛压处的强度校核最大膛压时即第二临界状态,弹体受到的膛内火药气体作用达到最大,加速度也达到最大,因而惯性力,装填物等均达到最大值,相比之下,弹带压力下降很多,并且此时期弹丸的旋转角速度尚很小,故可以略去弹带压力和旋转产生的应力。在强度校核时采用弹塑性计算方法,在整个弹体上找出最危险断面(应力最大断面),如图2.2上定心部下沿11断面,22下定心部下沿,33断面在下弹带槽下沿,计算它们的强度即可。图2.2 152mm弹体应力计算弹体强度条件:已知数据:弹丸质量 =43.56kg计
6、算压力 金属密度 炸药密度 弹丸初速 弹体材料屈服极限 (1)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这三个断面以上弹体联系质量和炸药质量,数据列于表2.1表2.1 152mm弹丸结构数据断面号11断面22断面33断面7.627.627.555.254.874.5015.25528.16130.4493.0295.0715.646(2)计算各断面对应最大应变的相当应力由于约为,则公式: (2.1) (3)在最大膛压时计算结果如表2.2.表2.2. 152mm弹体相当应力()断面号11断面22断面33断面-189.9-307.9-312.1-15.4-36.9-66.2171.6
7、286.6320.0由计算结果可以知道最大应力都是小于材料屈服极限强度的即弹丸弹体强度是满足强度要求的,且弹丸的三向应力是随靠近弹底而逐渐增大的。所以弹底是个危险的部位,因此下面有必要对弹底进行强度校核。2.2.2 弹底在最大膛压处的强度校核 发射时弹底直接承受火药气体压力和惯性力的作用,弹底周边承受剪力作用。使弹底部产生弯曲变形。当变形过大可能引起其上部装填物产生较大的局部应力,甚至使弹底破坏,导致发射事故发生。所以必须对弹底进行强度校核:抗弯强度和抗剪强度。1.弹底的弯曲强度校核弹底在轴向载荷作用使弹底发生向上的弯曲变形,由于此弹底是平板弹底,在应力计算时将其简化为一周边夹持的圆板。计算弹
8、底强度时,取底面某些危险的位置如图2.3的四个危险点,按第四强度理论计算相当应力校核。 图2.3危险点四个位置已知数据 弹丸质量 =43.56kg 装填物的有效药柱质量 弹底半径 弹尾部壁厚度 弹底厚度 金属密度 弹尾部中性面初始半径 计算压力 弹底金属泊松比 弹底金属屈服极限 (1)装填物压力(2)联系系数 (3)计算轴向有效载荷弹底部分质量 (2.2)代数据得 (4)计算各危险的应力和相当应力公式第1点: 第2点:第3点:第4点: (2.3)按第四强度计算危险点相当应力:(5) 计算结果如表2.3表2.3 152mm弹底应力() 点数 第1点第2点第3点第4点-87.59-252.84-8
9、7.59-252.84-81.98-423.69-350.46-155.21-81.98-423.69-269.11-236.575.61120.81233.1090.60 由计算结果可以知道弹底在与火药气体直接接触处的应力较大,且小于材料屈服极限,弹底满足发射时强度要求。2.弹底的抗剪强度校核抗剪强度条件为其中弹底周边所受剪力抗剪面积为剪应力公式 (2.4)综上计算结果可知满足抗剪强度,整个弹底强度均能满足发射时安全所需强度。2.2.3 弹体零件在最大膛压处的强度校核1.弹丸引信的强度校核弹丸引信的计算是计算它与弹体接触并承受压力断面的强度。强度条件已知数据弹丸质量 =43.56kg引信质量
10、 引信螺纹部分的平均半径 引信内壁的半径 弹带材料的强度极限 断面上的压应力公式 (2.5) 根据计算结果可知引信与弹头接触部应力小于允许的值即满足强度要求。2.弹带的强度校核已知数据弹带的承压面积 膛线根数 膛线深度 膛线阴线宽 膛线的缠角 极转动惯量 弹丸质量 弹带材料的强度极限 钢和铜摩擦系数 (1) 等效宽度 (2) 抗压强度强度条件 弹带应力公式 (2.6)由公式(2.6)得 (3) 抗剪强度剪切强度条件剪切应力公式 (2.7)由公式(2.7)得 (4) 抗磨强度弹丸在膛内运动时弹带突起部与膛线激烈摩擦而产生磨损,当磨损过大时,将会影响弹带的正常作用,因此要保证弹带有足够的抗磨强度。
11、以摩擦比功 作为抗磨强度的特征数只需校核摩擦比功小于需用摩擦功即可即 抗磨强度条件摩擦比功公式 (2.8)由公式(2.8)得 综上计算结果可知在膛压最大时,弹带的抗压强度,抗剪强度及抗磨强度均满足安定性要求。且可知在此时弹带各部分的应力都很小,这与弹带压力在最大膛压时较小的规律相符,即弹带设计合理。2.3 装填物安全性计算弹丸的主要装填物是炸药,根据爆炸理论,炸药之所以引起爆炸,是由于外界给予了一定的起爆冲量,起爆能量可以为机械能,热能,电能以及这些能的综合形式。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,从而导致热现象,如果炸药应力过大,
12、就有可能引起炸药早炸。因此必须保证发射时炸药的安定性,就必须限制发射时炸药内的最大应力值。由于在弹底面上,炸药所受压应力达到最大,所以校核此处的强度即可。1)炸药发射时的安全性条件上式中 为炸药的需用应力,查表TNT炸药(压装)需用应力为98MPa在弹底断面上,炸药受压应力计算结果可以知在弹底处炸药承受的最大应力也比许用应力小。 综上分析与计算,弹丸在最大膛压时弹体个危险处各零件都满足强度要求,即弹丸的弹体及各部分零件在最大膛压时的安全性是得到保证的。3 弹道计算和稳定性分析在弹丸飞行过程中弹丸会受到空气动力作用,通常情况下,会受到空气阻力,升力,赤道阻尼力矩,极阻尼力矩,马格努斯力合力矩的作
13、用。如果是尾翼弹,还会受到尾翼导转力矩的作用。弹丸弹体形状可看成是由一条母线绕对称轴旋转而成的,这样的物体称为旋成体。它一般由三部分组成:削尖的弹头部,延伸的圆柱部,收缩的弹尾部。为分析方便,采用柱坐标系。152mm加农榴弹杀伤爆破弹的旋成体结构图如图3.1所示。图3.1 旋成体结构组成旋成体的几何参量如下:旋成体最大直径Dm152.4 mm;旋成体底截面直径Dd128.2 mm;弹头部长度Ln390.4 mm;圆柱部长度Lc238mm;弹尾部长度Lt76.5mm;旋成体总长度Lb704.2mm;弹头部半顶角010.5;弹尾部收缩角t;3.1 弹丸在外弹道飞行时所受的空气动力和力矩3.1.1
14、迎面阻力迎面阻力主要是弹丸在空气中飞行时与空气的摩擦阻力,弹头阻力,弹尾阻力,弹带阻力以及弹底阻力。3.1.2 升力空气动力R在阻力面内垂直于速度的分量Ry被称为升力。其表达式为:其大小为 式中 为沿弹轴的单位矢量;cy,cy,分别为升力系数和升力系数的导数。由此可见,当时,即攻角等于零时,升力为零。3.1.3 赤道阻尼力矩赤道阻尼力矩的形成,一方面由于弹丸围绕其赤道轴(过重心与单轴垂直的轴)摆动时,在弹丸的空气受压缩一面,必因空气受到压缩而压力增大,而另一面必因弹丸离去空气稀薄而压力减小,这样形成一个反对弹丸摆动的压力偶;另一方面由于空气的粘性(内摩擦),在弹丸表面两侧产生阻止其摆动的摩擦力
15、偶。当弹丸绕赤道轴摆动的同时,形成反对其摆动的压力偶和摩擦力偶,此力偶的合力矩就是阻尼弹丸摆动的赤道阻尼力矩。此力矩的大小与弹丸摆动角速度有关。赤道阻尼力矩在外弹道学上常用的表达式为其中,赤道阻尼力矩特征数由下式表示3.1.4 极阻尼力矩弹丸在绕其几何轴线(亦称极轴)自转时,由于空气的粘性,在接近弹表周围有一薄层空气(附面层)随着弹丸的自转而旋转,消耗弹丸的自转动能,使其自转角速度逐渐减缓。这个阻止弹丸自转的力矩被称为极阻尼力矩。用表示,其表达式为其大小为 式中 ; 、分别叫做极阻尼力矩系数和极阻尼力矩系数导数。3.1.5 马格努斯力和力矩当弹丸自转并同时摆动时(即具有攻角),由于弹表面附近流
16、场的变化,而产生所谓马格努斯效应,因此而产生马格努斯力和力矩。其形成机理比较复杂。由于空气粘性而产生随弹体自转的、包围弹体周围的一薄层空气(附面层)。又由于有攻角存在,因而在与单轴垂直方向上有气流分速向弹体吹来。此气流与伴随弹体自转的两侧气流合成的结果。在弹体一侧气流速度增大,而另一侧则减小。速度小的一侧压力大于速度大的一侧,这就形成一个于攻角平面(或阻力面)垂直的力,此力叫马格努斯力。马格努斯力与升力两者均使弹丸向侧方运动。马格努斯力的作用点经常不在重心上,而是形成一个力矩,称为马格努斯力矩。3.2 弹丸在外弹道上攻角为零时的空气阻力系数已知条件(1) 结构尺寸:见附图1,附图2(2) 火炮
17、口径:D=152mm(3) 弹丸初速: (4) 弹丸射角:(5) 弹丸质量:m=43.56kg(6) 引信外露长度:58mm(7) 引信质量:0.433kg(8) 引信小端直径:8mm3.2.1 摩阻系数首先进行雷诺数的计算。附面层内由层流向紊流转变,常与一个无因次的量即所谓的雷诺数有关。雷诺数的计算公式如下 (3.1) 式中 Re雷诺数空气密度= 弹丸初速 弹体长度=704.2mm 气体的粘性系数代入炮口处的已知条件得炮弹出炮口时的雷诺数然后计算152mm弹的侧表面积与横断面积比Ss/S=17.016式中 Ss弹丸的侧表面积 S弹丸横断面积计算炮口处马赫数: (3.2)根据炮口处的马赫数,雷
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