CN116776659A - 火炮身管寿命预测新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火炮身管寿命预测新方法，一种通过试验模态分析方法利用身管固有频率参数预测身管寿命实现方法。1)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身管弯曲变形固有频率允许值。2)通过试验模态分析方法，测试实际火炮身管弯曲变形固有频率，得到身管弯曲变形固有频率测试值。3)比较身管弯曲变形固有频率测试值与身管弯曲变形固有频率允许值，如果身管弯曲变形固有频率测试值小于身管弯曲变形固有频率允许值，则该门火炮身管寿命终止。反之，如果身管弯曲变形固有频率测试值大于身管弯曲变形固有频率允许值，则测试火炮身管寿命还未达到终止状态。到此，就实现了火炮身管寿命预测。
Description
技术领域
本发明涉及一种火炮身管寿命预测新方法，具体地讲，本发明涉及一种通过试验模态分析方法利用身管固有频率参数预测身管寿命实现方法。
技术背景
火炮武器的工作特点是高温、高压和高速。火药被点燃后迅速燃烧，生成高温高压的火药气体推动弹丸沿螺旋状膛线在炮膛内做剧烈的加速运动直至以高速飞离炮口。由于火药气体对火炮的强激励，不但使后坐部分后坐，同时使炮口发生横向振动响应，使火炮运动和受力十分复杂，火炮发射不但使火炮产生强烈的平移，而且产生强烈跳动和转动，并伴随产生各个零部件间的强冲击和整炮的高速时变，火炮将产生非常复杂的非线性振动。火炮整个工作过程大约在十几毫秒至几百毫秒，表现出强烈的瞬态性和随机性。
自从火炮作为兵器出现以来，人们就不断改进其性能，以期将更重的炮弹更精准地投射到更远的地方，为此，越来越多的发射药被装进炮膛。这就使得射击时火炮身管承受到越来越严重的火药气体热作用和物理化学作用、高速流动火药气体的冲刷以及弹丸对膛壁的磨损作用。大威力火炮身管的烧蚀磨损现象愈来愈严重，已成为降低火炮弹道性能、导致身管报废的重要因素。
目前装备的制式火炮虽然采用了低爆温发射药、发射药内添加缓蚀剂、改善弹带或炮膛结构、采用短衬管及内膛镀铬等技术措施，使火炮身管寿命得到一定提高，并满足一定的战术指标，但还是难以满足现代战争的要求，且越来越受到未来火炮更高膛压、更高寿命要求的挑战。
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。
身管结构属于典型的悬臂梁结构，身管结构固有频率对其尺寸变化非常敏感。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，从而引起身管弯曲变形固有频率降低。利用试验模态分析方法，能得到身管弯曲变形固有频率测试值。以身管弯曲变形固有频率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，特提出一种火炮身管寿命预测新方法，一种通过试验模态分析方法利用身管固有频率参数预测身管寿命实现方法。其方法为，1)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身管弯曲变形固有频率仿真值。身管弯曲变形固有频率仿真值定义为身管弯曲变形固有频率允许值。2)通过试验模态分析方法，测试实际火炮身管弯曲变形固有频率，将该固有频率定义为身管弯曲变形固有频率测试值。3)比较身管弯曲变形固有频率测试值与身管弯曲变形固有频率允许值，如果身管弯曲变形固有频率测试值小于等于身管弯曲变形固有频率允许值，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，身管弯曲变形固有频率会减小。
火炮身管寿命预测新方法具有显著优点。1)提出了一种区别于传统方法的利用身管弯曲变形固有频率要素预测身管寿命解决新方案；2)利用试验模态分析方法，能很容易获得身管弯曲变形固有频率测试值，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，或者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身管弯曲变形固有频率。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，只要通过试验模态分析方法得到测试火炮的身管弯曲变形固有频率参数，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是火炮身管寿命预测新方法示意图。其中，1表示身管；2表示炮口；3表示加速度传感器；4表示信号线；5表示摇架；6表示炮尾；7表示炮架。火炮布置在平坦地面上，身管调整到水平状态，在身管上表面等间距选择9个测点，每个测点固定一个加速度传感器，加速度传感器敏感方向沿铅垂方向。借助于信号线将9个加速度传感器连接到模态分析仪上，同时，力锤也通过信号线连接到模态分析仪(图中未画力锤及其信号线)。试验模态分时，按照试验模态分析规范用力锤在炮口上表面沿铅垂方向敲击炮口。力锤敲击结束，运行模态分析仪上的模态分析软件，能得到身管弯曲变形固有频率。本发明方法涉及标准火炮和测试火炮，标准火炮确定身管弯曲变形固有频率允许值，测试火炮确定身管弯曲变形固有频率测试值，测试值与允许值比较，以判断测试火炮身管寿命是否终止。身管上表面测点数量和位置根据实际情况能变化。标准火炮就是确定身管弯曲变形固有频率允许值的火炮，测试火炮就是确定身管弯曲变形固有频率测试值的火炮，标准火炮和测试火炮属于同口径、同型号的一批火炮。
身管弯曲变形固有频率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身管弯曲变形固有频率随射弹数逐发降低。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身管弯曲变形固有频率。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。
采集身管弯曲变形响应量的第二种方法是在身管表面粘贴应变片，以应变参量表示身管弯曲变形响应，模态分析仪接收身管弯曲变形应变响应和力锤激励力信号，通过试验模态分析方法同样能得到身管弯曲变形固有频率。
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，特提出一种火炮身管寿命预测新方法，一种通过试验模态分析方法利用身管固有频率参数预测身管寿命实现方法。火炮身管寿命预测新方法涉及标准火炮和测试火炮，标准火炮确定身管弯曲变形固有频率允许值，测试火炮确定身管弯曲变形固有频率测试值，身管弯曲变形固有频率测试值与身管弯曲变形固有频率允许值比较，以判断测试火炮身管寿命是否已到终止状态。在射角为0度时确定身管弯曲变形固有频率允许值和身管弯曲变形固有频率测试值。火炮身管寿命预测新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身管弯曲变形固有频率仿真值。身管弯曲变形固有频率仿真值定义为身管弯曲变形固有频率允许值。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。
身管弯曲变形固有频率允许值第二种获得方法是采用射击方法和试验模态分析方法相结合进行。选择一门标准火炮，火炮处于新炮状态时，采用试验模态分析方法得到身管弯曲变形固有频率f0；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，采用相同的试验模态分析方法得到身管弯曲变形固有频率f1。将这时的身管弯曲变形固有频率f1定义为身管弯曲变形固有频率允许值。新炮就是没有发射过弹丸的火炮。根据身管弯曲变形固有频率f0和身管弯曲变形固有频率f1之差，还能预测身管剩余寿命，其做法为：
设
Δf＝f0-f1 (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，通过试验模态分析方法得到身管射弹数达到N发时的身管弯曲变形固有频率为fN，这时，该测试火炮身管剩余寿命为
步骤二：选择测试火炮，测试火炮持续射击，在测试火炮射击结束后，通过试验模态分析方法，进行测试火炮身管弯曲变形固有频率测试，将测试火炮射击后由试验模态分析方法得到的身管弯曲变形固有频率定义为身管弯曲变形固有频率测试值。
步骤三：比较身管弯曲变形固有频率测试值与身管弯曲变形固有频率允许值，对于身管弯曲变形固有频率测试值小于等于身管弯曲变形固有频率允许值情况，则表示测试火炮身管寿命已达到终止状态；反之，对于身管弯曲变形固有频率测试值大于身管弯曲变形固有频率允许值情况，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，身管弯曲变形固有频率会减小。
到此，就实现了火炮身管寿命预测。
在相同条件下比较身管弯曲变形固有频率测试值与身管弯曲变形固有频率允许值。用全装药条件比较身管弯曲变形固有频率测试值与身管弯曲变形固有频率允许值。
Claims (1)
1.一种火炮身管寿命预测新方法，其特征在于，一种通过试验模态分析方法利用身管弯曲变形固有频率参数预测身管寿命实现方法；火炮身管寿命预测新方法涉及标准火炮和测试火炮，标准火炮确定身管弯曲变形固有频率允许值，测试火炮确定身管弯曲变形固有频率测试值，身管弯曲变形固有频率测试值与身管弯曲变形固有频率允许值比较，以判断测试火炮身管寿命是否已到终止状态；在射角为0度时确定身管弯曲变形固有频率允许值和身管弯曲变形固有频率测试值；火炮身管寿命预测新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身管弯曲变形固有频率仿真值；身管弯曲变形固有频率仿真值定义为身管弯曲变形固有频率允许值；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，测试火炮持续射击，测试火炮射击结束后，通过试验模态分析方法，进行测试火炮身管弯曲变形固有频率测试，将测试火炮射击后由试验模态分析方法得到的身管弯曲变形固有频率定义为身管弯曲变形固有频率测试值；
步骤三：比较身管弯曲变形固有频率测试值与身管弯曲变形固有频率允许值，对于身管弯曲变形固有频率测试值小于等于身管弯曲变形固有频率允许值情况，则表示测试火炮身管寿命已达到终止状态；反之，对于身管弯曲变形固有频率测试值大于身管弯曲变形固有频率允许值情况，则表示测试火炮身管寿命还未达到终止状态；
到此，就实现了火炮身管寿命预测。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117932270A (zh) * | 2024-02-02 | 2024-04-26 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种身管剩余寿命预测方法 |
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2022
- 2022-03-08 CN CN202210230898.6A patent/CN116776659A/zh active Pending
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