CN116772655A - 基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法，一种通过测试重力作用下炮口挠度参数预测身管寿命实现方法。1)身管处于0度射角，采用有限元方法通过计算机仿真计算，得到由于烧蚀磨损引起身管内膛磨损量达到规定值时的炮口挠度允许值。2)通过激光测试原理，测试实际火炮炮口挠度，得到炮口挠度测试值。3)比较炮口挠度测试值与炮口挠度允许值，如果炮口挠度测试值大于等于炮口挠度允许值，则该门火炮身管寿命达到终止状态。反之，如果炮口挠度测试值小于炮口挠度允许值，则测试火炮身管寿命还未达到终止状态。随着射弹数的增加，身管内膛烧蚀磨损逐渐严重，身管内膛直径逐渐扩大，身管壁厚逐渐变薄，炮口挠度会增大。

Description

基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法，具体地讲，本发明涉及一种通过测试重力作用下炮口挠度参数变化预测身管寿命实现方法。

技术背景

火炮身管是典型的悬臂梁结构，在重力作用下身管会向下弯曲，同时使炮口向下移动，或称炮口下垂，炮口下垂量称为炮口挠度。炮口挠度主要受身管结构尺寸和火炮射角的影响。身管处于水平状态时，炮口挠度主要受身管结构尺寸影响。火炮发射，身管内膛会由于烧蚀磨损而内径变大，身管壁厚变薄，炮口挠度会同时变大。炮口挠度大小与身管内膛烧蚀磨损量相关。

火炮身管烧蚀磨损是由于发射弹丸引起的热、机械、化学等多方面因素同时作用于身管膛面而产生的一种膛面损坏的复杂现象。这种损坏现象会导致膛内压力和弹丸初速的下降，射弹散布增大，射程和精度下降直至报废。火炮身管的烧蚀磨损是一个涉及多个方面的综合过程，到目前为止，身管的烧蚀磨损问题仍然是火炮工程实践难题。目前，国内外科技工作者结合近几十年世界上最新科研成果，尤其是新材料技术、新型火药技术和更精确的数值分析法，在分析计算身管烧蚀问题方面做了许多有益的尝试。

身管是火炮的重要零部件之一，身管寿命是指火炮按照射击规范进行射击，弹道性能下降到指标允许值以下或发生疲劳破坏前身管所发射的当量全装药的射弹数目。

目前，火炮身管寿命评定方法主要包括初速和膛压下降量，立靶密集度显著增大，引信瞎火率高，弹带削光，膛线磨损量超过标准等。初速传统测试方法是采用价格昂贵的测速雷达进行，费用高。测量立靶密集度要组织专项测试试验，同样费用很高。弹带削光现象只能通过弹丸回收才能判断，但弹丸回收困难大、成本高、效率很低。膛线磨损量都是在一次射击之后，采用专用仪器对身管内膛直径变化量进行测量，效率低，成本高。如何采用简单、方便、高效的方法得到能表征身管寿命的特征量来预测身管寿命一直火炮领域追求的目标。

火炮射击时，随着射弹数的增加，身管内膛在烧蚀磨损作用下，其直径会增加。火炮工程实践统计规律表明，大口径火炮每发射一发弹丸，身管内膛表面将被高速燃气吹走约20克金属物质。如果一门火炮发射1000发弹，则身管内膛表面将失去约20kg金属物质。这种现象导致的结果就是身管内膛直径增大，身管壁厚变薄。

炮口挠度对身管尺寸变化非常敏感。当身管在经历了多次射击后，身管内膛表面由于烧蚀磨损而出现内径增大、身管壁厚变薄现象，从而引起炮口挠度增大。利用测试方法，能得到炮口挠度测试值。以炮口挠度参数作为身管寿命预测要素未见公开报道。

发明内容

为了解决火炮身管寿命预测问题，特提出一种基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法，一种通过测试重力作用下炮口挠度参数变化预测身管寿命实现方法。其方法为，1)身管处于0度射角，采用有限元方法通过计算机仿真计算，得到由于烧蚀磨损引起身管内膛磨损量达到规定值时的炮口挠度仿真值。炮口挠度仿真值定义为炮口挠度允许值。2)通过激光测试原理，测试实际火炮炮口挠度，将该炮口挠度定义为炮口挠度测试值。3)比较炮口挠度测试值与炮口挠度允许值，如果炮口挠度测试值大于等于炮口挠度允许值，则该门火炮身管寿命达到终止状态。随着射弹数的增加，身管内膛烧蚀磨损逐渐严重，身管内膛直径逐渐扩大，身管壁厚逐渐变薄，炮口挠度会增大。

基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法具有显著优点。1)提出了一种区别于传统方法的利用炮口挠度要素预测身管寿命解决新方案；2)利用激光测试原理，能很容易获得炮口挠度测试值，方法简单、方便、实用、精度能保证；3)对于相同口径、相同型号的一批火炮，仅仅选择一门标准火炮，通过计算机仿真计算确定出标准火炮身管达到寿命终止状态时的炮口挠度。然后，对标准火炮以外的其他同口径、同型号火炮(简称为测试火炮)，不管测试火炮射弹数是多少，只要通过实际测试，就能得到测试火炮的炮口挠度参数，不仅能预测该门测试火炮身管剩余寿命，还能评定该门火炮身管寿命是否达到终止状态。4)本发明方法对提高我国火炮武器设计水平具有深远意义。

附图说明

附图1是基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法示意图。其中，1表示激光器；2表示激光；3表示探测器；4表示接收板；5表示炮口；6表示身管；7表示炮尾。火炮布置在平坦地面上，身管调整到水平状态，在炮尾上表面的水平面上固定一个激光器，调整激光器方向，使激光与身管膛线起始段的轴线平行，激光器照射安装在炮口的接收板。将接收板的B点安装到炮口，接收板的A点固定一个探测器，该探测器能接收激光信号，感知炮口挠度。接收板在铅垂面能调节倾斜方向，接收板始终处于铅垂面内。激光与身管膛线起始段的轴线之间距离固定，固定距离为y₀。固定距离y₀在测试之前，通过标定方法能确定大小，因此，炮口挠度实际测试时，固定距离y₀是已知量。炮尾截面装弹孔几何中心与身管膛线起始段的轴线重合，通过测量炮尾截面装弹孔几何中心与激光之间距离就能确定固定距离y₀。身管处于水平状态时，由于重力作用，炮口下垂，炮口挠度大于0。图1中的符号y表示炮口挠度。设身管处于新身管时，炮口挠度为y；当身管由于发射弹丸引起内膛烧蚀磨损使内径变大、身管壁厚变薄、已到身管寿命终止情况时，炮口挠度由y变为y₁。这时，y₁＞y。附图1中未画炮口挠度y₁。用炮口截面几何中心指示炮口挠度。用信号线连接探测器和数据采集器，数据采集器具有信号采集、存储、处理、显示功能，炮口挠度显示在数据采集器屏幕上。

本发明方法涉及标准火炮和测试火炮，标准火炮确定炮口挠度允许值，测试火炮确定炮口挠度测试值，测试值与允许值比较，以判断测试火炮身管寿命是否终止。标准火炮就是确定炮口挠度允许值的火炮，测试火炮就是确定炮口挠度测试值的火炮，标准火炮和测试火炮属于同口径、同型号的一批火炮。

炮口挠度对身管结构尺寸非常敏感，大口径火炮每发射1发弹丸，身管内膛表面会损失约20克金属物质，身管内径会变大。随着射弹数的增加，身管内径逐渐扩大。身管发射弹丸由于身管内膛烧蚀磨损使身管壁厚变薄的后果是炮口挠度随射弹数逐发增大。通过有限元仿真计算或标准火炮射击试验能找到身管寿命终止时的炮口挠度允许值。身管内径变大，就表示身管药室和身管导向段内径变大，与身管内膛变大表示相同含义。

附图2是炮口挠度计算示意图。接收板4的B点有一个定位凸台，能将接收板定位在炮口，B点是炮口截面几何中心。在接收板的A点固定有探测器3，探测器的测试原点在O点，B点与O点之间是固定距离，标记为y₂。参考附图1，标准火炮处于新身管时，炮口截面几何中心到激光距离为

y₅＝y₀+y (0-1)

在附图2中，标准火炮处于新身管时，激光照射到探测器的C点，这时，探测器输出位移为y₃，炮口截面几何中心到激光距离为

y₅＝y₂+y₃ (0-2)

由于(0-1)式与(0-2)式左边相等，则它们右边也相等，即

y₀+y＝y₂+y₃ (0-3)

从(0-3)式解出新身管炮口挠度y，有

y＝y₂+y₃-y₀ (0-4)

由于变量y₂，y₀为已知量，只要通过探测器测量出变量y₃，根据(0-4)式就能得到标准火炮新身管的炮口挠度y。

同理，当标准火炮身管达到寿命终止时，激光照射到附图2中探测器的D点，探测器输出位移为y₄，这时，标准火炮身管寿命终止时炮口挠度计算公式为

y₁＝y₂+y₄-y₀ (0-5)

具体实施方式

下面给出本发明实施例具体方法。

为了解决火炮身管寿命预测问题，特提出一种基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法，一种通过测试重力作用下炮口挠度参数变化预测身管寿命实现方法。基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法涉及标准火炮和测试火炮，标准火炮确定炮口挠度允许值，测试火炮确定炮口挠度测试值，炮口挠度测试值与炮口挠度允许值比较，以判断测试火炮身管寿命是否已到终止状态。基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法由下面步骤实现：

步骤一：选择标准火炮，采用有限元方法通过计算机仿真计算，得到由于烧蚀磨损引起身管内膛磨损量达到规定值时的炮口挠度仿真值。炮口挠度仿真值定义为炮口挠度允许值。身管内膛磨损量达到规定值，就表示身管寿命已达到终止状态。

炮口挠度允许值第二种获得方法是采用射击方法进行。选择一门标准火炮，火炮处于新炮状态时，采用激光测试原理得到炮口挠度y；然后火炮持续射击，直到身管内膛烧蚀磨损到身管寿命终止为止，这时，采用相同的激光测试原理得到炮口挠度y₁。将这时的炮口挠度y₁定义为炮口挠度允许值。新炮就是没有发射过弹丸的火炮。根据炮口挠度y和炮口挠度y₁之差，还能预测身管剩余寿命，其做法为：

设

Δy＝y₁-y (1)

当测试火炮未达到身管寿命终止之前，测试火炮射弹数累计达到N发时，通过激光测试原理得到身管射弹数达到N发时的炮口挠度为y_N，这时，该测试火炮身管剩余寿命为

步骤二：选择测试火炮，采用激光测试原理，在测试火炮的炮尾上表面水平面上固定激光器，在炮口固定接收板，该接收板上有探测器，激光器照射探测器，能得到炮口挠度。测试火炮持续射击，在测试火炮射击结束后，通过激光测试原理，进行测试火炮炮口挠度测试，将测试火炮射击后由激光测试原理得到的炮口挠度定义为炮口挠度测试值。

步骤三：比较炮口挠度测试值与炮口挠度允许值，对于炮口挠度测试值大于等于炮口挠度允许值情况，则表示测试火炮身管寿命已达到终止状态；反之，对于炮口挠度测试值小于炮口挠度允许值情况，则表示测试火炮身管寿命还未达到终止状态。随着射弹数的增加，身管内膛烧蚀磨损逐渐严重，身管内膛直径逐渐扩大，身管壁厚逐渐变薄，炮口挠度会增大。

到此，就实现了火炮身管寿命预测。

在相同条件下比较炮口挠度测试值与炮口挠度允许值，用全装药条件比较炮口挠度测试值与炮口挠度允许值。

Claims (1)

1.一种基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法，其特征在于，一种通过测试重力作用下炮口挠度参数变化预测身管寿命实现方法；基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法涉及标准火炮和测试火炮，标准火炮确定炮口挠度允许值，测试火炮确定炮口挠度测试值，炮口挠度测试值与炮口挠度允许值比较，以判断测试火炮身管寿命是否已到终止状态；在射角为0度时确定炮口挠度允许值和炮口挠度测试值；基于炮口挠度的火炮身管寿命预测方法由下面步骤实现：

步骤一：选择标准火炮，采用有限元方法通过计算机仿真计算，得到由于烧蚀磨损引起身管内膛磨损量达到规定值时的炮口挠度仿真值；炮口挠度仿真值定义为炮口挠度允许值；身管内膛磨损量达到规定值，就表示身管寿命已达到终止状态；

步骤二：选择测试火炮，采用激光测试原理，在测试火炮的炮尾上表面水平面上固定激光器，在炮口固定接收板，该接收板上有探测器，激光器照射探测器，能得到炮口挠度；测试火炮持续射击，在测试火炮射击结束后，通过激光测试原理，进行测试火炮炮口挠度测试，将测试火炮射击后由激光测试原理得到的炮口挠度定义为炮口挠度测试值；

步骤三：比较炮口挠度测试值与炮口挠度允许值，对于炮口挠度测试值大于等于炮口挠度允许值情况，则表示测试火炮身管寿命已达到终止状态；反之，对于炮口挠度测试值小于炮口挠度允许值情况，则表示测试火炮身管寿命还未达到终止状态；随着射弹数的增加，身管内膛烧蚀磨损逐渐严重，身管内膛直径逐渐扩大，身管壁厚逐渐变薄，炮口挠度会增大；

到此，就实现了火炮身管寿命预测。