为了解决大口径火炮药筒在射击时存在卡壳或者抽壳困难的问题,采用药筒划分不同区域的办法,对不同钢材、不同温度以及同一钢材不同材料参数这3种工况进行有限元仿真计算。结果表明:药筒口部和药筒斜肩部抽壳力的占比较多;不同钢材对药筒抽壳力有一定的影响,其中30#钢相比20#钢、45#钢而言更容易抽壳;依据实验要求更换钢材材料参数,计算得出的抽壳力相比修改参数之前下降约50%左右,效果十分显著;温度升高对应的抽壳力也就越大,温度对抽壳的影响不可忽视。因此,在设计中应合理地在不同分区采用不同材料,确保更换材料参数可以降低药筒口部和药筒斜肩部的抽壳力,同时降低药筒温度,从而顺利抽壳。

在传统的火炮设计及仿真过程中,通常假设部件之间为理想约束,认为座圈等结合部的轻微晃动对整体结构的影响很小,可以忽略。但采用这种方式对某大口径火炮的高低机进行动力学仿真时,发现仿真结果与射击测试结果完全不符。为研究问题原因,改进仿真方法,提高仿真对设计的指导意义,通过分析高速摄像拍摄到的火炮射击过程,依次考虑炮塔变形和座圈晃动的影响,在RecurDyn中进行动力学计算,将炮塔作为FFlex柔性体;再使用ABAQUS计算座圈的变形及晃动情况,并根据该计算结果,在RecurDyn中用弹簧阻尼单元模拟座圈的晃动。计算结果表明,将炮塔考虑为柔性体后,仿真结果仍不与测试结果相符,但考虑座圈的晃动之后,仿真结果与测试结果能够较好吻合,误差可控制在15%以内。根据该仿真结果,对火炮进行改进,射击过程中闭锁平衡机的油腔可有效提高火炮的射击稳定性。

为了研究Cu基非晶合金Cu_(45)Zr_(43)Al_4Ag_8双层聚能药型罩的射流成型和侵彻能力,以等壁厚的单层铜药型罩和Cu-BMGs药型罩作为对比,分别选用铝、钛、聚乙烯和PTFE/Al材料作为外罩,Cu基非晶合金作为内罩,利用AUTODYN软件建立二维有限元模型,模拟了Cu基非晶合金双层聚能药型罩的射流成型、拉伸及侵彻过程,对比分析了各组药型罩射流的成型特点、稳定性和侵彻性能。通过仿真得到4种双层聚能药型罩射流成型后射流头部速度介于Cu-BMGs药型罩和铜药型罩之间,其中聚乙烯为外罩时,射流头部速度最高,侵彻深度最大,但射流稳定性最差;铝为外罩时,射流长度最长,射流稳定性最好;PTFE/Al为外罩时,开孔直径最大,但侵彻深度最小,与Cu-BMGs药型罩的相当。铝、钛、聚乙烯和PTFE/Al为外罩时,Cu基非晶合金双层药型罩的射流对纯铁靶侵彻深度分别为104、103、111、91.5mm,开孔直径分别为12.5、20、18.8、45mm,综合考虑侵彻深度和侵彻孔径,聚乙烯、PTFE/Al作为外罩时,Cu基非晶合金双层聚能药型罩的侵彻性能优于铝、钛作为外罩时的侵彻性能。

火炮发射过程中身管内膛环境十分恶劣,经过一定射击发数后内膛往往出现不同程度裂纹,影响身管寿命及发射安全性。采用有限元软件建立了包含膛线及不同位置初始裂纹的身管有限元模型,基于线弹性断裂力学理论研究了膛压、弹带摩擦力、自紧残余应力等载荷作用下身管内壁不同位置初始裂纹的扩展特性,得到了影响身管疲劳裂纹扩展寿命的危险因素为身管内壁阴线纵向裂纹,基于疲劳裂纹扩展理论,以临界断裂韧度为失效判据,获得了无镀层身管在包含不同数量初始裂纹时的剩余寿命。研究对于火炮身管的发射安全性评估、寿命预测及寿命提升研究具有重要的参考价值。

针对火炮自动机故障状态监测问题,提出了一种基于支持向量数据描述的故障状态监测模型。利用搭建的自动机振动测试平台获取自动机振动信号,采用变模态分解方法将振动信号分解为多个本征模态分量,计算各个分量的样本熵值作为故障特征,并以正常状态下的自动机故障特征为训练样本进行SVDD模型的训练,训练过程中根据模型特点找到合适的模型参数,完成自动机状态监测模型的构建。在自动机测试平台上设置多种预制零件故障进行模型的验证,结果表明所建立的状态监测模型对异常状态的发生有很强的敏感性,具有较高的检测准确率;同时设计了关重件模拟性能退化试验,试验结果验证了所提出的模型具有良好的早期故障检测能力,可较为准确地反映自动机故障性能退化过程,可为火炮自动机故障状态监测提供一定的借鉴和指导。

基于100mm加农炮经典内弹道数学模型,以最大膛压及初速的计算值与靶场射击试验值的平均相对误差为目标函数,以燃速系数和燃速指数作为拟优化的参数,运用人工鱼群算法对加农炮内弹道参数进行了参数优化研究。结果表明,人工鱼群算法对初值要求不高,容许范围大,且收敛速度快,全局寻优能力强,计算得到的目标函数值不超过0.1%。将优化后的参数应用到加农炮内弹道计算中,其计算结果与靶场试验结果相对于参数优化前误差进一步减小,其中参数优化后速度的误差仅为0.017%,优化后计算值与靶场试验值吻合得较好,因此可以将人工鱼群算法作为加农炮内弹道参数优化的一种有效方法。

以新型大口径舰炮武器系统综合论证和作战效能评估为背景,研究大口径半穿甲炮弹对典型小型舰船目标的毁伤效能评估问题。对典型舰船进行目标特性分析,设计了两种典型船体靶板毁伤试验及数值仿真,明确了靶板破坏形态和破口直径,并由此验证了数值仿真模型及材料参数的准确性。在此基础上进行实尺度半穿甲炮弹对典型舰船侧舷毁伤的数值仿真,得到了半穿甲炮弹起爆位置及着角对舰船侧舷的毁伤特性数据。进而提出了炮弹炸点位置与侧舷结构毁伤后舱室进水情况的判据,建立了半穿甲炮弹作用于舰船目标的终点毁伤效能数学模型。以典型中小型舰船为实例进行了计算,结果表明提出的数学模型可用于分析半穿甲炮弹命中精度、起爆位置和着角等对舰船目标的毁伤效能,当炮弹着角为45°、起爆相对位置为0.5L时对舰船结构毁伤效果最好,解决了大口径半穿甲炮弹对典型中小型舰船目标毁伤效能评估的关键技术,可为新型舰炮武器系统综合论证和作战效能评估提供一定技术支撑。

火炮选型是某装备论证的重点工作之一,论证时采取了选型评价指标定量对比、指标间综合分析的方法。但该方法缺乏对备选火炮定量评价数据的充分挖掘,不能反应评价数据特征。为提高火炮选型的准确性和客观性,采用投影寻踪法进行定量分类评价。通过分析火炮选型原则及装机适应性和火力性能要求,建立了由选型原则、选型评价指标、指标特征值分层的火炮选型评价指标体系,形成了由备选火炮选型指标特征值为样本集的评价模型;采用制约函数法构建投影指标优化模型,为避免初值和初始搜索方向引起的局部收敛问题,用多种群遗传算法求解;模型求解获得了最佳投影方向及投影值,得到了各备选火炮的选型定量评价排序以及评价指标权重。排序结果与论证时定性分析对比结果较为相符,且权重较高的评价指标与论证时确定的重点指标一致,验证了投影寻踪法可用于类似武器选型问题。

引信起爆控制电路通过对目标探测信号的处理和决策,给出发火控制信号,其可靠性直接决定了其发火可靠度,工程上大多采用直接双套并联方式进行冗余设计。针对引信起爆控制电路如何进行冗余设计问题,设计了并联冗余和非冗余两种电路,采用数理统计的方法计算了其全寿命周期可靠度,结果表明非冗余电路可靠度略高于并联冗余电路。采用故障物理方法,分别通过加速寿命试验和故障物理仿真,得出了起爆控制电路在引信服役期内的温度应力、力学环境应力、电应力下的失效寿命远大于寿命期的结论。综合数理统计和故障物理研究结果,给出了引信起爆控制电路可采用非冗余设计的建议。

在火炮通信系统的设计过程中,天线布局是影响无线通信距离的重要因素之一。通过对炮塔上超短波天线不同布局方案的分析,研究了天线安装在不同的倾斜角度与天线被其他设备遮挡的多种状态下,无线传输8km处超短波电台接收功率的变化规律。利用Egli电磁波传播模型进行了理论分析,根据电波模型所涉及的影响电磁波传播的重要参数,计算出了一定距离条件下的超短波电台的接收功率和接收功率为-97dBm条件下的无线通信距离,验证了天线布局对无线通信距离产生的影响。在此基础上,提出了天线布局设计的优选方案,进而为火炮通信天线的布局设计和应用提供参考。

利用特定波长的激光信号模拟激光脉冲信息是评价激光装备接收性能的一种主要手段,为满足不同波长激光装备检测集成化的需求,设计了一种多波段激光检测光源模块。通过激光光源的选型,基于透反镜的共轴光路设计和光纤准直镜头的设计,实现了905、1064和1550nm波长的多波段激光的共光轴匀化输出。为满足激光光源的窄脉冲驱动需求,选用超高速器件将脉冲上升沿转换成窄脉冲驱动信号,控制RC充放电电路进行功率放大,实现激光光源的窄脉冲发射。分别进行了光斑质量、波长、发射功率等参数的实验验证,结果表明多波段激光检测光源能够满足应用要求。

靶场实测数据具有数据样本少、获取代价高等特点,从中剔除异常值,在军事、经济及时间上有重要意义。为降低数据录取给试验鉴定结论带来的误判风险,提出不确定度法,具体由预先评定出的测量结果不确定度和在实际测量过程中获得的最佳估计值来共同确定剔除异常值的实测数据录取方法,结合某型坦克炮身管内径鉴定试验,说明了不确定度法的内容及步骤。通过人为设定样本集并附加异常值进行MATLAB仿真分析,结果表明无论是样本量少,还是样本量多,运用不确定度法剔除异常值具有较高的可靠性。不确定度法充分考虑测量系统及测量过程的实际情况,运用计量结果等现有信息一次性评定出测量不确定度,即可在实际测量中进行重复应用,有利于靶场试验从策划到实施的质量控制。同时,在靶场采用不确定度法录取实测数据,具有简单快捷的特点,不仅满足一线的快速使用,而且还能显化出靶场计量在试验一线的贡献度。

炮尾体承受着射击过程中的高温以及连续瞬态强冲击载荷的恶劣工况,表面易产生疲劳裂纹并逐渐扩大,造成炮尾体断裂,引起自动炮故障。为提高炮尾体的疲劳寿命,研究了声铣复合表面改性处理方法来提高炮钢材料的表面性能。从表面粗糙度、表面硬度和疲劳寿命3个方面分别比较了传统干切削和声铣复合表面改性两种技术,结果表明声铣复合表面改性后的样品表面粗糙度为0.32μm,表面硬度相比基体硬度可以提高24%左右,炮尾体闭锁齿的疲劳寿命提高到原来的11倍以上。声铣复合表面改性技术增加了材料表面的局部残余压应力,可以使材料具有更优异的表面性能。

高炮武器系统毁歼概率的计算需要测试连发射击时各发弹丸射击误差的相关性。为满足毁歼概率试验中对射击误差时间特性的测试需求,针对如何测试速射高炮各发弹丸的射击误差相关性的问题,采用真引信实弹对空中虚拟静态点目标射击,用光电经纬仪交汇测量弹道坐标,计算弹道与空中虚拟靶目标的相交坐标及相交时刻,确定射击误差和相关系数,建立了一种高炮对空中静态点射目标射击精度试验方法。在多型高炮试验中的应用表明,该方法可以满足鉴定试验中对射击误差和误差相关性的测试要求,同时提高了试验安全性,降低了试验实施(协调)难度,加快了试验进度。

针对某大口径火炮设计了中心金属传火管,在点传火模拟试验装置上进行了该金属传火管的点传火试验。通过对比分析传火管管内压力、火焰传播速度、破孔时间差以及点传火时间等参数的变化情况,对影响金属传火管点火性能的点火药种类和装药量两个因素进行对比分析。结果表明:与大粒黑和小粒黑相比,当点火药为苯萘药条时更有利于提高药床的透气性,能够明显提高火焰的传播速度,缩短破孔时间和点传火时间,且随着苯萘药条药量的增加,火焰传播速度、点火能量也随之增加,具有更为良好的点传火性能,该结论可以为下阶段工程化应用提供设计依据。

为了梳理海军舰炮发展脉络,理清下一步发展思路,梳理了现代舰炮的起源和特点,舰炮装备源自现代火炸药技术的应用,发展依赖于工业水平的进步,并与水面舰艇的发展互相推动;总结了舰炮的历史地位和作用,舰炮自诞生以来,在较长一个历史时期始终保持着海战霸主的地位,至今依然发挥着重要作用;探索分析了其发展特点,舰炮研制门槛较高,与环境、工业水平以及海军战略发展等息息相关。通过以上论述,结合当下海军实际,结果表明:要让舰炮在未来战争中进一步发挥作用须从提升现役舰炮装备质量水平、新机理舰炮引领跨越式发展、加大无人化智能化装备技术研发3个方面下功夫。