实弹射击与炮口冲击条件下炮架动态应力测试分析

杨玉良，秦俊奇，狄长春，孙也尊，马亮星

（1.军械工程学院火炮工程系，河北石家庄 050003；2.北京军代局驻247厂军代室，山西太原 030009；3.山西北方机械制造有限责任公司，山西太原 030009）

实弹射击与炮口冲击条件下炮架动态应力测试分析

杨玉良1，秦俊奇1，狄长春1，孙也尊2，马亮星3

（1.军械工程学院火炮工程系，河北石家庄 050003；2.北京军代局驻247厂军代室，山西太原 030009；3.山西北方机械制造有限责任公司，山西太原 030009）

炮口冲击是一种新型的火炮动力后坐模拟试验方法。针对该试验方法与实弹射击时火炮所受载荷区别问题，在耳轴附近的炮架部位选定位置粘贴应变片，采用应力应变测试系统，测试实弹射击条件下炮架部位的应力；将火炮安装在模拟试验装置上，设定模拟试验装置的冲击参数，同理测试炮口冲击条件下炮架部位的应力；采用第四强度理论计算两种试验条件下的相当应力，应力对比结果表明模拟试验装置可用来模拟实弹射击条件下火炮的动态特性。该研究为火炮模拟试验装置广泛应用于靶场试验提供了一定的理论依据。

模拟试验装置；实弹射击；炮口冲击；相当应力

实弹射击试验是检验火炮装备可靠性、可用性、维修性及耐久性的重要技术手段，但由于试验经费及周期的限制，火炮装备难以在研制、生产及定型阶段实施全面、系统、深入的试验考核，致使火炮列装部队后问题层出不穷。鉴于以上原因，国内外学者开始研究可行、等效的火炮发射模拟试验技术、火炮动态后坐技术，以部分替代火炮的实弹射击试验［12］，并研制了相应的试验装置。

火炮模拟试验装置如图1所示，由定位定平系统、高低与距离调整系统、液压系统、冲击头、波形发生器及火炮组成。将火炮安装在模拟试验装置上，定位定平系统用于调整火炮的前后、左右方位，高低与距离调整系统用于调整冲击头的角度及与火炮炮口之间的距离。其工作原理为：通过液压系统将冲击头加速到一定速度，然后冲击头与液压系统脱离，撞击安装在火炮炮口的波形发生器，进而推动火炮后坐，实现对火炮实弹射击时后坐过程的模拟。该试验方法具有经济效益高、安全性能好、可调节性强的特点。

火炮在炮膛合力或炮口冲击载荷的作用下后坐，反后坐装置提供后坐阻力，炮架承受反作用力。作用在炮架上的载荷大小不仅间接反映了火力系统在后坐过程的受力情况，也影响了底盘系统的运动情况，因此炮架部位的应力分布能够表征火炮在后坐过程中的载荷情况。笔者在耳轴附近的炮架部位选取位置，对实弹射击及炮口冲击试验条件下的应力进行测试及对比分析。

1 炮口冲击试验理论

实弹射击时，火药燃烧产生高压气体推动火炮后坐，即主动力为作用在身管轴线方向上的炮膛合力Fpt。

式中：mh为后坐部分质量；X后坐行程；t为后坐时间；Fpt为炮膛合力；FR为后坐阻力。

基于火炮模拟试验装置进行炮口冲击试验时，主动力为高速冲击头撞击炮口产生的冲击载荷。

由式（1）和式（2）可以看出，实弹射击与炮口冲击条件下，受力情况基本相同，只是主动力由炮膛合力变换为冲击载荷，作用位置由炮膛底部变换为炮口，因此当炮口冲击与实弹射击条件下火炮具有相似的动态特性时，冲击载荷需与炮膛合力基本等效。

炮膛合力曲线具有上升期快、下降期慢的波形特点，但在膛内时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装置主要有橡胶型、高强度塑料、液体（准液体）弹簧、气体弹簧等，橡胶材料具有质量小、高弹性、噪声小等优点，因此波形发生器采用橡胶型，结构如图2所示。波形发生器分为2层，每层有7个橡胶块，2层之间采用金属板隔开。

2 炮架应力测试流程

在后坐过程中，炮架受力发生变形，粘贴在其表面的电阻应变片将随之产生应变，应变片的电阻值将会产生相应的变化［4-5］。通过桥式测量电路将电阻值的变化转变成电压的变化［6］。然后经由模拟电路将微弱的电压信号放大滤波，再通过A／D转换采集电路把模拟电压信号转换为数字信号，采用应力应变测试系统对数字信号进行采集。

2.1 应变片粘贴

在耳轴左右两侧下方的炮架部位选定应变测试位置并进行打磨，打磨完成后保证表面光滑平整。将应变片粘贴在指定位置，然后将应变片引出线与信号线焊接在一起，与应力应变测试系统连接起来。采用2个应变片对炮架的2个位置进行应力测试。

2.2 应变测试原理

根据不同的使用情况，按应变片在桥臂中的数量可分为单臂（1／4桥）、双臂（1／2桥）、四臂（全桥）3种接法，本次试验测试采用单臂接法，桥臂电阻为120Ω，其测试原理如图3所示。图中Rg为应变片电阻，R为固定电阻。

由直流电桥原理可得直流电桥的输出电压

则

式中：Eg为桥压；K为应变计灵敏度系数；ε为输入应变量；Uo为低漂移差动放大器输出电压；KF为低漂移差动放大器增益。

2.3 主应力计算

测试应变片采用直角应变花形式，如图4所示。

测试部位的主应变为［7］

式中：ε0为水平0°方向应变；ε45为45°方向应变；ε90为垂直90°方向应变。

主应力为

式中：μ为泊松比；E为弹性模量。σ1与水平方向夹角φ为

最大剪切力τmax为

2.4 相当应力计算

炮架采用的炮钢材料为塑性材料，通常以屈服的形式失效，宜采用第三和第四强度理论计算相当应力。

通过式（7）可以得到主应力σ1和σ3，同时主应力σ2＝0，采用第四强度理论得到的相当应力σr__为

3 炮架应力测试结果

在靶场针对某型火炮进行实弹射击试验，试验条件均为常温、全装药及6°射角。采用应力应变测试系统对炮架的2个部位进行应力测试，并采用第四强度理论计算出2个部位在实弹射击条件下的相当应力。

将火炮安装在模拟试验装置上，调整冲击头与火炮身管的角度，使两者轴线同轴度控制在φ2 mm范围以内，设定模拟试验装置的冲击参数：冲击头质量、冲击头速度、波形发生器材料硬度。同理计算出2个测试部位在炮口冲击条件下的相当应力。在实弹射击和炮口冲击条件下，炮架2个测试部位的相当应力分别如图5和图6所示。相当应力最大值对比如表1所示。

由图5和图6可以看出，在实弹射击和炮口冲击两种条件下，炮架相当应力曲线在数值上、形状上均非常相近，具有较好的一致性。由表1可以看出，2个部位相当应力最大值的误差分别为14.75%、18.33%。以上数据均反映出炮口冲击条件下相当应力数值小于实弹射击条件，可通过增大冲击头质量、冲击头速度来增大炮口冲击条件下的应力值，使两种测试条件下的相当应力曲线具有更好的相似效果。

为进一步验证两种测试条件的相似效果，试验过程中同时测试了火炮的后坐位移，对比曲线如图7所示。

在实弹射击和炮口冲击两种条件下的火炮后坐位移在数值及形状上也非常相近，最大后坐位移分别为0.871、0.821 m，误差为5.74%。后坐位移的趋势规律与炮架应力相同，也说明了模拟试验装置可用来模拟实弹射击条件下火炮的动态特性。

4 结论

笔者分析了实弹射击与炮口冲击条件下的火炮受力情况，并采用应变片及应力应变测试系统对炮口冲击与实弹射击条件下炮架2个部位的应力进行了测试，测试结果表明模拟试验装置能够模拟实弹射击条件下火炮的动态特性。火炮模拟试验装置在不发射实弹的情况下，对火炮的后坐过程进行模拟，可对火炮关重件的强度及寿命进行研究，能产生可观的军事经济效益。该研究为火炮模拟试验装置在靶场试验的适用范围提供了一定的理论依据。

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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

杨玉良（1987－），男，博士研究生，主要从事武器系统仿真与虚拟样机技术研究。E-mail：yyl_liang＠sina.com