火炮设计理论.

火炮设计理论南京理工大学火炮教研室主讲：张相炎教授联系电话：84315581§2.4自紧身管设计1自紧身管1.1自紧身管筒紧身管→壁内的应力分布均匀→提高身管的强度。多层筒紧→层数越多→应力分布越均匀→强度也越高→加工困难。筒紧是一种工艺方法一种新的工艺方法→自紧身管自紧身管：经自紧工艺处理的身管,也称为自增强身管。1.2自紧原理制造时对其内膛施以高压，使内壁产生塑性变形。内压去除以后，在内壁产生与发射时符号相反的残余应力。发射时，发射工作压力产生的应力与自紧残余应力相迭加，使身管壁内应力趋于均匀一致，提高身管强度。自紧原理：制造施压塑变；卸载残余应力；发射应力均匀。1.3自紧身管的特点（1）提高身管的强度；（2）可节省大量合金元素；（3）对提高身管寿命有利；（4）及时发现和排除毛坯中的疵病。§2.4自紧身管设计1.4自紧工艺自紧工艺有三种：液压自紧法，挤扩法（亦称机械自紧法），爆炸自紧法。（1）液压自紧开式闭式（2）挤扩自紧（机械自紧）（3）爆炸自紧§2.4自紧身管设计TTTT2自紧身管应力分析由于自紧身管产生比较大的塑性变形，因此采用材料的屈服强度极限，并采用第三或第四强度理论。这里我们采用第三强度理论，即最大剪应力理论，其强度条件为：sm21)()()(ptrtm21212131stmp2对火炮身管，σ1=σt，σ3=σr=-p，因此式中，2τm称为第三强度理论的相当应力。§2.4自紧身管设计2.1补充假设（1）身管材料的拉伸和压缩特性一样；这条假设就是为了略去鲍辛格效应的影响（2）材料塑性变形后应力不增加；这条假设就是为了忽略材料强化（硬化）现象的影响（3）不考虑轴向应力的作用。§2.4自紧身管设计2.2自紧时的应力设：在自紧压力P1作用下，身管从内表面开始出现塑性变形，并且最终塑性区半径达到ρ(r1＜ρ＜r2)，则身管壁内分为塑性区(r=r1～ρ)和弹性区(r=ρ～r2)。（1）弹性区弹性区相当一个单筒身管，其内径为ρ，外径为r2，在半径ρ处的径向压力pρ，即为弹性区的弹性强度极限，采用第三强度理论时222222rrps22222222rrrrpp22222222rrrrps弹性区内径向应力（压力）2222222rrrpt22222222rrrrst弹性区内的切向应力pt312222rs弹性区内按第三强度理论的相当应力§2.4自紧身管设计（2）塑性区在塑性区内各点的相当应力均为屈服强度，即srt2srdrdrprpsln222222lnrrrpsrrrrrrsstlnln2222222222221222222rrps切向应力22222112rrrPsln半弹性状态自紧时的内压§2.4自紧身管设计0trrdrdr22222222rrrrps222rs222222lnrrrpss2（3）全塑性状态：ρ=r2rrps2ln§2.4自紧身管设计22222222rrrrps222rs222222lnrrrpss2（4）第四强度理论的自紧压力采用第四强度理论也可以导出自紧时的压力1222221232rrrPsln1212116132rrrrPssln.ln121rrKPsln081.K对半弹性状态对全塑性状态实际身管材料存在一定的强化现象，通过自紧生产实践得出全塑性状态的自紧身管的自紧压力可用如下经验公式表示：半弹性状态12222212rrrKPsln151081.~.K§2.4自紧身管设计22222112rrrPsln（5）说明1）ρ的影响22222222221122lnlnsP1ρ↑→Wρ↑→21max1ln)()(2WPPrss→全塑状态22222221221min1212)()(1WWrrrPPrss→全弹状态2）W2的影响11222222111112)()(minmax§2.4自紧身管设计W2↑→Z↑→提高强度越明显2.3残余应力（制造应力）自紧时，在自紧压力P1作用下，身管从内表面开始出现塑性变形，并且最终身管壁内形成塑性区和弹性区。并且身管壁内存在径向应力（压力）p和切向应力σt。卸去自紧压力P1时，由于身管内存在塑性变形，因此在卸载过程中自紧身管内存在残余应力，也就是制造应力或预应力。卸载过程是弹性卸载，相当于在一个内径为r1、外径为r2，的弹性园筒上加一个-P1，而在身管内形成附加应力。附加应力与自紧应力的迭加就形成残余应力。§2.4自紧身管设计ppp其中p”为附加压力，即把身管看成单筒身管（弹性园筒）时，在自紧内压P1作用下，身管壁内所产生的径向压力；p为自紧制造时身管壁内的径向压力；p’为卸载后身管内的残余径向压力。ttt'其中σ”t为附加切向应力，即把身管看成单筒身管(弹性园筒)时，在自紧内压P1作用下，身管壁内所产生的切向应力；σt为自紧制造时身管壁内的切向应力；σ’t为卸载后身管内的残余切向压力。§2.4自紧身管设计（1）附加应力相当在自紧压力P1作用下，单筒身管（弹性园筒）壁内形成的附加径向应力p”和附加切向应力σ”t21222222211rrrrrrPp22121222221rrrrrrPt1222222122222212212122221ln2)(222rrrrrrrrrrrrrPpst22222112rrrPsln1222222122221ln222rrrrrrs1222222122212ln222rrrrrrs122222212222221ln2)(22rrrrrrrs2τpσt§2.4自紧身管设计'''pt2ppp'ttt'（2）残余应力1）弹性区122222212222221ln2)(22rrrrrrrrs222rs122222212221222222221rrrrrrrrrpsln22222222rrrrps1222222122222221ln2)()(rrrrrrrrrps22222222rrrrst1222222122222221ln2)()(rrrrrrrrrst122222212221222222221rrrrrrrrrstln12222221222222122ln2)(22rrrrrrrrrs§2.4自紧身管设计2）塑性区122222212222221ln2)(22rrrrrrrrss21222222122222221ln2)()(rrrrrrrrrps222222rrrpsln12222222221222122222212rrrrrrrrrrrpslnln12222222221222122222212rrrrrrrrrrrstlnln1222222122222221ln2)()(rrrrrrrrrstrrrstln222222122222212222221ln2)(212rrrrrrrrs§2.4自紧身管设计2τpσt§2.4自紧身管设计2.4发射时的应力发射前，身管壁内存在残余应力。发射时身管在内压p1作用下，在身管壁内形成新的附加剪应力2τ”和附加径向压力p”，其值可将自紧身管看成单筒身管：21222222211rrrrrrpp212222221122rrrrrpppp身管壁内的合成应力为222弹性区合成相当应力)()(212222221112222rrrrrpPrsxd塑性区合成相当应力)()(2122222211122rrrrrpPsxd§2.4自紧身管设计可以看出合成应力的分布比筒紧身管更趋于均匀一致。为了使自紧身管在发射时塑性区不再进一步增大，要求发射时的内压p1不大于自紧时内压P1，即p1P1。当p1=P1时，压力分布理论上与自紧时一致。当p1P1时，身管内表面将产生塑性变形，塑性区将逐步扩大。发射时身管内表面是不允许产生塑性变形的，因此，实际使用时p1≤P1。2τ2τσs2τ2τ'§2.4自紧身管设计)()(max212222221112rrrrpPsxdxd)(ln)(21222222111222222122222212221rrrrprrrrrrrs希望σxdmax最小，令0maxxd11lnrpsspr11expssssxdpWWprrr1221212222minmax2exp112exp1%100121rrr%exp*1001111spW最佳自紧过应变百分比为§2.4自紧身管设计过应变百分比（自紧度）2.5不出现反向屈服的条件ssrrrP2122221122||2222221221111如果自紧身管内壁的残余应力最大值|2τ’1|达到材料的屈服强度，则身管内壁将要出现压缩塑性变形，即反向屈服。这样将会引起自紧身管壁内的应力重新分布，身管强度也不能进一步提高。自紧身管不出现反向屈服的条件是解出不出现反向屈服时的自紧压力不等式的右边即为自紧身管的自紧压力或强度极限的上限。§2.4自紧身管设计22212212lnrrrrrss对于全塑自紧身管(ρ=r2)，22222112rrrPsln01ln22W这就是全塑自紧身管不产生反向屈服的条件，即身管半径比不能超过2.2（注意，这是由第三强度理论推出的，如用第四强度理论则约为2.0）。此半径比的全塑自紧身管可以比单筒身管的强度提高1倍。§2.4自紧身管设计2221221rrrPs由于存在鲍辛格效应，反向压缩的屈服极限σ’s比材料拉伸（自紧过程）屈服极限σs要低，因此自紧压力P1也要低。对全塑自紧身管，内表面实际切向压应力比理论切向压应力低20%~40%，因此更容易导致反向屈服。LtSt118060').~.('σ'tSσ'rSσ'tLσ'rLσ't1Lσ't1SGOTO开式液压自紧R闭式液压自紧R挤扩自紧（机械自紧）RR爆炸自紧R鲍辛格效应R材料强化（硬化）现象§2.4自紧