楊玉良，秦俊奇，狄長春，孫也尊，馬亮星

（1.軍械工程學(xué)院火炮工程系，河北石家莊 050003；2.北京軍代局駐247廠軍代室，山西太原 030009；3.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西太原 030009）

實(shí)彈射擊與炮口沖擊條件下炮架動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試分析

楊玉良1，秦俊奇1，狄長春1，孫也尊2，馬亮星3

（1.軍械工程學(xué)院火炮工程系，河北石家莊 050003；2.北京軍代局駐247廠軍代室，山西太原 030009；3.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西太原 030009）

炮口沖擊是一種新型的火炮動(dòng)力后坐模擬試驗(yàn)方法。針對(duì)該試驗(yàn)方法與實(shí)彈射擊時(shí)火炮所受載荷區(qū)別問題，在耳軸附近的炮架部位選定位置粘貼應(yīng)變片，采用應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)，測試實(shí)彈射擊條件下炮架部位的應(yīng)力；將火炮安裝在模擬試驗(yàn)裝置上，設(shè)定模擬試驗(yàn)裝置的沖擊參數(shù)，同理測試炮口沖擊條件下炮架部位的應(yīng)力；采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算兩種試驗(yàn)條件下的相當(dāng)應(yīng)力，應(yīng)力對(duì)比結(jié)果表明模擬試驗(yàn)裝置可用來模擬實(shí)彈射擊條件下火炮的動(dòng)態(tài)特性。該研究為火炮模擬試驗(yàn)裝置廣泛應(yīng)用于靶場試驗(yàn)提供了一定的理論依據(jù)。

模擬試驗(yàn)裝置；實(shí)彈射擊；炮口沖擊；相當(dāng)應(yīng)力

實(shí)彈射擊試驗(yàn)是檢驗(yàn)火炮裝備可靠性、可用性、維修性及耐久性的重要技術(shù)手段，但由于試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)及周期的限制，火炮裝備難以在研制、生產(chǎn)及定型階段實(shí)施全面、系統(tǒng)、深入的試驗(yàn)考核，致使火炮列裝部隊(duì)后問題層出不窮。鑒于以上原因，國內(nèi)外學(xué)者開始研究可行、等效的火炮發(fā)射模擬試驗(yàn)技術(shù)、火炮動(dòng)態(tài)后坐技術(shù)，以部分替代火炮的實(shí)彈射擊試驗(yàn)［12］，并研制了相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。

火炮模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示，由定位定平系統(tǒng)、高低與距離調(diào)整系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、沖擊頭、波形發(fā)生器及火炮組成。將火炮安裝在模擬試驗(yàn)裝置上，定位定平系統(tǒng)用于調(diào)整火炮的前后、左右方位，高低與距離調(diào)整系統(tǒng)用于調(diào)整沖擊頭的角度及與火炮炮口之間的距離。其工作原理為：通過液壓系統(tǒng)將沖擊頭加速到一定速度，然后沖擊頭與液壓系統(tǒng)脫離，撞擊安裝在火炮炮口的波形發(fā)生器，進(jìn)而推動(dòng)火炮后坐，實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮實(shí)彈射擊時(shí)后坐過程的模擬。該試驗(yàn)方法具有經(jīng)濟(jì)效益高、安全性能好、可調(diào)節(jié)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

火炮在炮膛合力或炮口沖擊載荷的作用下后坐，反后坐裝置提供后坐阻力，炮架承受反作用力。作用在炮架上的載荷大小不僅間接反映了火力系統(tǒng)在后坐過程的受力情況，也影響了底盤系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況，因此炮架部位的應(yīng)力分布能夠表征火炮在后坐過程中的載荷情況。筆者在耳軸附近的炮架部位選取位置，對(duì)實(shí)彈射擊及炮口沖擊試驗(yàn)條件下的應(yīng)力進(jìn)行測試及對(duì)比分析。

1 炮口沖擊試驗(yàn)理論

實(shí)彈射擊時(shí)，火藥燃燒產(chǎn)生高壓氣體推動(dòng)火炮后坐，即主動(dòng)力為作用在身管軸線方向上的炮膛合力Fpt。

式中：mh為后坐部分質(zhì)量；X后坐行程；t為后坐時(shí)間；Fpt為炮膛合力；FR為后坐阻力。

基于火炮模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行炮口沖擊試驗(yàn)時(shí)，主動(dòng)力為高速?zèng)_擊頭撞擊炮口產(chǎn)生的沖擊載荷。

由式（1）和式（2）可以看出，實(shí)彈射擊與炮口沖擊條件下，受力情況基本相同，只是主動(dòng)力由炮膛合力變換為沖擊載荷，作用位置由炮膛底部變換為炮口，因此當(dāng)炮口沖擊與實(shí)彈射擊條件下火炮具有相似的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，沖擊載荷需與炮膛合力基本等效。

炮膛合力曲線具有上升期快、下降期慢的波形特點(diǎn)，但在膛內(nèi)時(shí)期基本近似于半正弦波或三角波。半正弦波或三角波的形成裝置主要有橡膠型、高強(qiáng)度塑料、液體（準(zhǔn)液體）彈簧、氣體彈簧等，橡膠材料具有質(zhì)量小、高彈性、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，因此波形發(fā)生器采用橡膠型，結(jié)構(gòu)如圖2所示。波形發(fā)生器分為2層，每層有7個(gè)橡膠塊，2層之間采用金屬板隔開。

2 炮架應(yīng)力測試流程

在后坐過程中，炮架受力發(fā)生變形，粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片將隨之產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變片的電阻值將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化［4-5］。通過橋式測量電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化［6］。然后經(jīng)由模擬電路將微弱的電壓信號(hào)放大濾波，再通過A／D轉(zhuǎn)換采集電路把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采用應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集。

2.1 應(yīng)變片粘貼

在耳軸左右兩側(cè)下方的炮架部位選定應(yīng)變測試位置并進(jìn)行打磨，打磨完成后保證表面光滑平整。將應(yīng)變片粘貼在指定位置，然后將應(yīng)變片引出線與信號(hào)線焊接在一起，與應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)連接起來。采用2個(gè)應(yīng)變片對(duì)炮架的2個(gè)位置進(jìn)行應(yīng)力測試。

2.2 應(yīng)變測試原理

根據(jù)不同的使用情況，按應(yīng)變片在橋臂中的數(shù)量可分為單臂（1／4橋）、雙臂（1／2橋）、四臂（全橋）3種接法，本次試驗(yàn)測試采用單臂接法，橋臂電阻為120Ω，其測試原理如圖3所示。圖中Rg為應(yīng)變片電阻，R為固定電阻。

由直流電橋原理可得直流電橋的輸出電壓

則

式中：Eg為橋壓；K為應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)；ε為輸入應(yīng)變量；Uo為低漂移差動(dòng)放大器輸出電壓；KF為低漂移差動(dòng)放大器增益。

2.3 主應(yīng)力計(jì)算

測試應(yīng)變片采用直角應(yīng)變花形式，如圖4所示。

測試部位的主應(yīng)變?yōu)椋?］

式中：ε0為水平0°方向應(yīng)變；ε45為45°方向應(yīng)變；ε90為垂直90°方向應(yīng)變。

主應(yīng)力為

式中：μ為泊松比；E為彈性模量。σ1與水平方向夾角φ為

最大剪切力τmax為

2.4 相當(dāng)應(yīng)力計(jì)算

炮架采用的炮鋼材料為塑性材料，通常以屈服的形式失效，宜采用第三和第四強(qiáng)度理論計(jì)算相當(dāng)應(yīng)力。

通過式（7）可以得到主應(yīng)力σ1和σ3，同時(shí)主應(yīng)力σ2＝0，采用第四強(qiáng)度理論得到的相當(dāng)應(yīng)力σr__為

3 炮架應(yīng)力測試結(jié)果

在靶場針對(duì)某型火炮進(jìn)行實(shí)彈射擊試驗(yàn)，試驗(yàn)條件均為常溫、全裝藥及6°射角。采用應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)對(duì)炮架的2個(gè)部位進(jìn)行應(yīng)力測試，并采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算出2個(gè)部位在實(shí)彈射擊條件下的相當(dāng)應(yīng)力。

將火炮安裝在模擬試驗(yàn)裝置上，調(diào)整沖擊頭與火炮身管的角度，使兩者軸線同軸度控制在φ2 mm范圍以內(nèi)，設(shè)定模擬試驗(yàn)裝置的沖擊參數(shù)：沖擊頭質(zhì)量、沖擊頭速度、波形發(fā)生器材料硬度。同理計(jì)算出2個(gè)測試部位在炮口沖擊條件下的相當(dāng)應(yīng)力。在實(shí)彈射擊和炮口沖擊條件下，炮架2個(gè)測試部位的相當(dāng)應(yīng)力分別如圖5和圖6所示。相當(dāng)應(yīng)力最大值對(duì)比如表1所示。

由圖5和圖6可以看出，在實(shí)彈射擊和炮口沖擊兩種條件下，炮架相當(dāng)應(yīng)力曲線在數(shù)值上、形狀上均非常相近，具有較好的一致性。由表1可以看出，2個(gè)部位相當(dāng)應(yīng)力最大值的誤差分別為14.75%、18.33%。以上數(shù)據(jù)均反映出炮口沖擊條件下相當(dāng)應(yīng)力數(shù)值小于實(shí)彈射擊條件，可通過增大沖擊頭質(zhì)量、沖擊頭速度來增大炮口沖擊條件下的應(yīng)力值，使兩種測試條件下的相當(dāng)應(yīng)力曲線具有更好的相似效果。

為進(jìn)一步驗(yàn)證兩種測試條件的相似效果，試驗(yàn)過程中同時(shí)測試了火炮的后坐位移，對(duì)比曲線如圖7所示。

在實(shí)彈射擊和炮口沖擊兩種條件下的火炮后坐位移在數(shù)值及形狀上也非常相近，最大后坐位移分別為0.871、0.821 m，誤差為5.74%。后坐位移的趨勢規(guī)律與炮架應(yīng)力相同，也說明了模擬試驗(yàn)裝置可用來模擬實(shí)彈射擊條件下火炮的動(dòng)態(tài)特性。

4 結(jié)論

筆者分析了實(shí)彈射擊與炮口沖擊條件下的火炮受力情況，并采用應(yīng)變片及應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)對(duì)炮口沖擊與實(shí)彈射擊條件下炮架2個(gè)部位的應(yīng)力進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明模擬試驗(yàn)裝置能夠模擬實(shí)彈射擊條件下火炮的動(dòng)態(tài)特性。火炮模擬試驗(yàn)裝置在不發(fā)射實(shí)彈的情況下，對(duì)火炮的后坐過程進(jìn)行模擬，可對(duì)火炮關(guān)重件的強(qiáng)度及壽命進(jìn)行研究，能產(chǎn)生可觀的軍事經(jīng)濟(jì)效益。該研究為火炮模擬試驗(yàn)裝置在靶場試驗(yàn)的適用范圍提供了一定的理論依據(jù)。

（References）

［1］姚養(yǎng)無.火炮后坐仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及其動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真［J］.兵工學(xué)報(bào)，2001，22（2）：152- 155.

YAO Yangwu.Simulation test system of gun recoil and numerical calculations［J］.Acta Armamentarii，2001，22（2）：152- 155.（in Chinese）

［2］徐航，張志杰.火炮動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)技術(shù)研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，1995，7（1）：29- 33.

XU Hang，ZHANG Zhijie.Study on dynamic simulation experiments in a gun［J］.Journal of Ballistics，1995，7（1）：29- 33.（in Chinese）

［3］楊玉良 秦俊奇，狄長春，等.火炮射擊模擬試驗(yàn)裝置機(jī)液聯(lián)合仿真［J］.火力指揮與控制，2014，39（8）：174- 176.

YANG Yuliang，QIN Junqi，DI Changchun，et al.Mechanism-hydraulic co-simulation research of gun firing simulation test machine［J］.Fire Control and Command Control，2014，39（8）：174- 176.（in Chinese）

［4］李水利.殼體傳感一體化電子測壓器研究［D］.太原：中北大學(xué)，2009.

LI Shuili.The integrated pressure testing device of sensor and shell designing［D］.Taiyuan：North University of China，2009.（in Chinese）

［5］張少杰，馬鐵華，沈大偉.基于直角應(yīng)變花的爆炸沖擊波應(yīng)力測試及分析［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2011，31（6）：92- 94.

ZH ANG Shaojie，MA Tiehua，SHEN Dawei.Stress test and analysis of blast wave based on right angle strain rosette［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2011，31（6）：92- 94.（in Chinese）

［6］孟立凡，藍(lán)金輝.傳感器原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

MENG Lifan，LAN Jinhui.Principles and applications of sensor［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2007.（in Chinese）

［7］薛海，李永昶，劉萬選.機(jī)車車輛螺旋彈簧的試驗(yàn)方法研究［J］.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（4）：139- 142.

XUE Hai，LI Yongchang，LIU Wanxuan.The test method research of the coil spring of locomotive and rolling stock［J］.Journal of Lanzhou Jiaotong University，2013，32（4）：139- 142.（in Chinese）

Dynamic Stress Test Analysis of Gun Carriage Under Conditions of Ball Firing and Muzzle Impact

YANG Yuliang1，QIN Junqi1，DI Changchun1，SUN Yezun2，MA Liangxing3

（1.Department of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China；2.Beijing Military Delegation Office Located at Factory 247，Taiyuan 030009，Shanxi，China；3.Shanxi North Machine Manufacturing Co.Ltd，Taiyuan 030009，Shanxi，China）

Muzzle impact is a new type of simulation test method for gun-power-recoil.For the settlement of the load difference problem of the test method and ball firing，strain gauges were attached at the selected location of gun carriage with gun carriage stress being tested under the ball firing condition using stress-strain test system.With the gun mounted on the simulation test machine and impact parameters set，gun carriage stress was tested under the muzzle impact conditions in the same way.Equivalent stress of the two test conditions was calculated based on the Fourth Strength Theory.According to the stress comparison result，simulation test machine can be used to simulate the gun dynamic characteristics of ball firing.The research will provide a theoretical reference for the gun simulation test machine to partially take the place of ball firing.

simulation test machine；ball firing；muzzle impact；equivalent stress

TJ306+.1

A

1673-6524（2015）03-0072-04

2015- 01- 27；

2015- 06- 03

楊玉良（1987－），男，博士研究生，主要從事武器系統(tǒng)仿真與虛擬樣機(jī)技術(shù)研究。E-mail：yyl_liang＠sina.com