火炮設(shè)計(jì)理論課件

火炮設(shè)計(jì)理論

南京理工大學(xué)火炮教研室主講：張相炎教授聯(lián)系電話：84315581火炮設(shè)計(jì)理論南京理工大學(xué)火炮教研室主講：張相炎教授聯(lián)系1§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

1自緊身管1.1自緊身管

筒緊身管→壁內(nèi)的應(yīng)力分布均勻→提高身管的強(qiáng)度。多層筒緊→層數(shù)越多→應(yīng)力分布越均勻→強(qiáng)度也越高→加工困難。筒緊是一種工藝方法一種新的工藝方法→自緊身管自緊身管：經(jīng)自緊工藝處理的身管,也稱為自增強(qiáng)身管。1.2自緊原理制造時(shí)對其內(nèi)膛施以高壓，使內(nèi)壁產(chǎn)生塑性變形。內(nèi)壓去除以后，在內(nèi)壁產(chǎn)生與發(fā)射時(shí)符號相反的殘余應(yīng)力。發(fā)射時(shí)，發(fā)射工作壓力產(chǎn)生的應(yīng)力與自緊殘余應(yīng)力相迭加，使身管壁內(nèi)應(yīng)力趨于均勻一致，提高身管強(qiáng)度。

自緊原理：制造施壓塑變；卸載殘余應(yīng)力；發(fā)射應(yīng)力均勻?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)1自緊身管21.3自緊身管的特點(diǎn)（1）提高身管的強(qiáng)度；（2）可節(jié)省大量合金元素；（3）對提高身管壽命有利；（4）及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除毛坯中的疵病。

§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

1.3自緊身管的特點(diǎn)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)31.4自緊工藝自緊工藝有三種：液壓自緊法，擠擴(kuò)法（亦稱機(jī)械自緊法），爆炸自緊法。（1）液壓自緊開式閉式（2）擠擴(kuò)自緊（機(jī)械自緊）（3）爆炸自緊§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

TTTT1.4自緊工藝§2.4自緊身管設(shè)計(jì)TTTT42自緊身管應(yīng)力分析由于自緊身管產(chǎn)生比較大的塑性變形，因此采用材料的屈服強(qiáng)度極限，并采用第三或第四強(qiáng)度理論。這里我們采用第三強(qiáng)度理論，即最大剪應(yīng)力理論，其強(qiáng)度條件為：對火炮身管，σ1=σt，σ3=σr=-p，因此式中，2τm稱為第三強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)

2自緊身管應(yīng)力分析由于自緊身管產(chǎn)生比較52.1補(bǔ)充假設(shè)（1）身管材料的拉伸和壓縮特性一樣；這條假設(shè)就是為了略去鮑辛格效應(yīng)的影響（2）材料塑性變形后應(yīng)力不增加；

這條假設(shè)就是為了忽略材料強(qiáng)化（硬化）現(xiàn)象的影響（3）不考慮軸向應(yīng)力的作用。§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

2.1補(bǔ)充假設(shè)（2）材料塑性變形后應(yīng)力不增加；（3）不考慮62.2自緊時(shí)的應(yīng)力設(shè)：在自緊壓力P1作用下，身管從內(nèi)表面開始出現(xiàn)塑性變形，并且最終塑性區(qū)半徑達(dá)到ρ(r1＜ρ＜r2)，則身管壁內(nèi)分為塑性區(qū)(r=r1～

ρ)和彈性區(qū)(r=ρ～r2)。（1）彈性區(qū)彈性區(qū)相當(dāng)一個(gè)單筒身管，其內(nèi)徑為ρ，外徑為r2，在半徑ρ處的徑向壓力pρ，即為彈性區(qū)的彈性強(qiáng)度極限，采用第三強(qiáng)度理論時(shí)彈性區(qū)內(nèi)徑向應(yīng)力（壓力）彈性區(qū)內(nèi)的切向應(yīng)力彈性區(qū)內(nèi)按第三強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

2.2自緊時(shí)的應(yīng)力（1）彈性區(qū)彈性區(qū)內(nèi)徑向應(yīng)力（壓力）7（2）塑性區(qū)在塑性區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的相當(dāng)應(yīng)力均為屈服強(qiáng)度，即切向應(yīng)力半彈性狀態(tài)自緊時(shí)的內(nèi)壓§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

（2）塑性區(qū)切向應(yīng)力半彈性狀態(tài)自緊時(shí)的內(nèi)壓§2.4自緊身8（3）全塑性狀態(tài)：ρ=r2§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

（3）全塑性狀態(tài)：ρ=r2§2.4自緊身管設(shè)計(jì)9（4）第四強(qiáng)度理論的自緊壓力采用第四強(qiáng)度理論也可以導(dǎo)出自緊時(shí)的壓力對半彈性狀態(tài)對全塑性狀態(tài)實(shí)際身管材料存在一定的強(qiáng)化現(xiàn)象，通過自緊生產(chǎn)實(shí)踐得出全塑性狀態(tài)的自緊身管的自緊壓力可用如下經(jīng)驗(yàn)公式表示：半彈性狀態(tài)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

（4）第四強(qiáng)度理論的自緊壓力對半彈性狀態(tài)對全塑性狀態(tài)10（5）說明1）ρ的影響ρ↑→Wρ↑→→全塑狀態(tài)→全彈狀態(tài)2）W2的影響§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

W2↑→Z↑→提高強(qiáng)度越明顯（5）說明ρ↑→Wρ↑→→全塑狀態(tài)→全彈狀態(tài)2）W2的影響§112.3殘余應(yīng)力（制造應(yīng)力）自緊時(shí)，在自緊壓力P1作用下，身管從內(nèi)表面開始出現(xiàn)塑性變形，并且最終身管壁內(nèi)形成塑性區(qū)和彈性區(qū)。并且身管壁內(nèi)存在徑向應(yīng)力（壓力）p和切向應(yīng)力σt。卸去自緊壓力P1時(shí)，由于身管內(nèi)存在塑性變形，因此在卸載過程中自緊身管內(nèi)存在殘余應(yīng)力，也就是制造應(yīng)力或預(yù)應(yīng)力。卸載過程是彈性卸載，相當(dāng)于在一個(gè)內(nèi)徑為r1、外徑為r2，的彈性園筒上加一個(gè)-P1，而在身管內(nèi)形成附加應(yīng)力。附加應(yīng)力與自緊應(yīng)力的迭加就形成殘余應(yīng)力。§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

2.3殘余應(yīng)力（制造應(yīng)力）§2.4自緊身管設(shè)計(jì)12其中p”為附加壓力，即把身管看成單筒身管（彈性園筒）時(shí)，在自緊內(nèi)壓P1作用下，身管壁內(nèi)所產(chǎn)生的徑向壓力；p為自緊制造時(shí)身管壁內(nèi)的徑向壓力；p’為卸載后身管內(nèi)的殘余徑向壓力。其中σ”t為附加切向應(yīng)力，即把身管看成單筒身管(彈性園筒)時(shí)，在自緊內(nèi)壓P1作用下，身管壁內(nèi)所產(chǎn)生的切向應(yīng)力；σt為自緊制造時(shí)身管壁內(nèi)的切向應(yīng)力；σ’t為卸載后身管內(nèi)的殘余切向壓力。§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

其中p”為附加壓力，即把身管看成單筒身管（彈性園筒）時(shí)，在自13（1）附加應(yīng)力相當(dāng)在自緊壓力P1作用下，單筒身管（彈性園筒）壁內(nèi)形成的附加徑向應(yīng)力p”和附加切向應(yīng)力σ”t§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

（1）附加應(yīng)力§2.4自緊身管設(shè)計(jì)14（2）殘余應(yīng)力1）彈性區(qū)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

（2）殘余應(yīng)力1）彈性區(qū)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)152）塑性區(qū)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

2）塑性區(qū)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)16§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

§2.4自緊身管設(shè)計(jì)172.4發(fā)射時(shí)的應(yīng)力發(fā)射前，身管壁內(nèi)存在殘余應(yīng)力。發(fā)射時(shí)身管在內(nèi)壓p1作用下，在身管壁內(nèi)形成新的附加剪應(yīng)力2τ”和附加徑向壓力p”，其值可將自緊身管看成單筒身管：身管壁內(nèi)的合成應(yīng)力為彈性區(qū)合成相當(dāng)應(yīng)力塑性區(qū)合成相當(dāng)應(yīng)力§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

2.4發(fā)射時(shí)的應(yīng)力發(fā)射前，身管壁內(nèi)存在殘余應(yīng)力18可以看出合成應(yīng)力的分布比筒緊身管更趨于均勻一致。為了使自緊身管在發(fā)射時(shí)塑性區(qū)不再進(jìn)一步增大，要求發(fā)射時(shí)的內(nèi)壓p1不大于自緊時(shí)內(nèi)壓P1，即p1<P1。當(dāng)p1=P1時(shí)，壓力分布理論上與自緊時(shí)一致。當(dāng)p1>P1時(shí)，身管內(nèi)表面將產(chǎn)生塑性變形，塑性區(qū)將逐步擴(kuò)大。發(fā)射時(shí)身管內(nèi)表面是不允許產(chǎn)生塑性變形的，因此，實(shí)際使用時(shí)p1≤P1?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)

可以看出合成應(yīng)力的分布比筒緊身管更趨于均勻一致。為了使自19希望σxdmax最小，令最佳自緊過應(yīng)變百分比為§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

過應(yīng)變百分比（自緊度）希望σxdmax最小，令最佳自緊過應(yīng)變百分比為§2.4202.5不出現(xiàn)反向屈服的條件如果自緊身管內(nèi)壁的殘余應(yīng)力最大值|2τ’1|達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，則身管內(nèi)壁將要出現(xiàn)壓縮塑性變形，即反向屈服。這樣將會引起自緊身管壁內(nèi)的應(yīng)力重新分布，身管強(qiáng)度也不能進(jìn)一步提高。自緊身管不出現(xiàn)反向屈服的條件是解出不出現(xiàn)反向屈服時(shí)的自緊壓力不等式的右邊即為自緊身管的自緊壓力或強(qiáng)度極限的上限?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)

2.5不出現(xiàn)反向屈服的條件如果自緊身管內(nèi)壁的21對于全塑自緊身管(ρ=r2)，這就是全塑自緊身管不產(chǎn)生反向屈服的條件，即身管半徑比不能超過2.2（注意，這是由第三強(qiáng)度理論推出的，如用第四強(qiáng)度理論則約為2.0）。此半徑比的全塑自緊身管可以比單筒身管的強(qiáng)度提高1倍?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)

由于存在鮑辛格效應(yīng)，反向壓縮的屈服極限σ’s比材料拉伸（自緊過程）屈服極限σs要低，因此自緊壓力P1也要低。對全塑自緊身管，內(nèi)表面實(shí)際切向壓應(yīng)力比理論切向壓應(yīng)力低20%~40%，因此更容易導(dǎo)致反向屈服。GOTO對于全塑自緊身管(ρ=r2)，這就是全塑自緊身管不產(chǎn)22開式液壓自緊R開式液壓自緊R23閉式液壓自緊R閉式液壓自緊R24擠擴(kuò)自緊（機(jī)械自緊）R擠擴(kuò)自緊（機(jī)械自緊）R25R爆炸自緊R爆炸自緊26R鮑辛格效應(yīng)R鮑辛格效應(yīng)27R材料強(qiáng)化（硬化）現(xiàn)象R材料強(qiáng)化（硬化）現(xiàn)象28§2.4自緊身管設(shè)計(jì)3自緊身管設(shè)計(jì)3.1自緊身管彈性強(qiáng)度極限自緊身管彈性強(qiáng)度極限是射擊時(shí)自緊身管不產(chǎn)生新的塑性變形所能承受的最大內(nèi)壓。在不考慮鮑辛格效應(yīng)時(shí)，自緊身管彈性強(qiáng)度極限就等于自緊壓力P1。

如果工作壓力p1小于自緊壓力(彈性強(qiáng)度極限)P1，身管呈彈性狀態(tài)。如果工作壓力p1大于自緊壓力(彈性強(qiáng)度極限)P1，身管內(nèi)表面出現(xiàn)塑性變形?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)3自緊身管設(shè)計(jì)3.1自緊身管彈性293.2自緊身管的一般設(shè)計(jì)步驟(1)選擇身管材料，即確定了身管材料的σs；(2)選擇毛坯內(nèi)徑r1、外徑r2；(3)選取自緊度χ；(4)計(jì)算彈塑性區(qū)交界面半徑(5)計(jì)算自緊時(shí)的內(nèi)壓(6)對身管毛坯進(jìn)行自緊(7)按單筒身管的設(shè)計(jì)方法，計(jì)算設(shè)計(jì)壓力曲線，炮膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外形設(shè)計(jì)及調(diào)整?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)3.2自緊身管的一般設(shè)計(jì)步驟(1)選擇身管材料，即確定了30(8）強(qiáng)度校核按自緊身管的實(shí)際外形尺寸進(jìn)行強(qiáng)度校核。由自緊身管的合成應(yīng)力分布規(guī)律可知，自緊身管內(nèi)表面的合成內(nèi)壓（即徑向應(yīng)力）和彈塑性區(qū)交界面上的合成相當(dāng)應(yīng)力最大，所以應(yīng)該對此進(jìn)行強(qiáng)度校核。1）計(jì)算自緊身管內(nèi)表面的最大合成內(nèi)壓P1s采用第三強(qiáng)度理論采用第四強(qiáng)度理論§2.4自緊身管設(shè)計(jì)(8）強(qiáng)度校核按自緊身管的實(shí)際外形尺寸進(jìn)行強(qiáng)度校核。312）計(jì)算彈塑性交界面上的合成相當(dāng)應(yīng)力σxdρ=2τρs以上各式中的ρ應(yīng)為實(shí)測值。§2.4自緊身管設(shè)計(jì)2）計(jì)算彈塑性交界面上的合成相當(dāng)應(yīng)力σxdρ=2τρs以上各323）計(jì)算實(shí)際安全系數(shù)其中P1*為設(shè)計(jì)壓力考慮自緊過程和加工等因素的影響，自緊身管的實(shí)際彈性極限內(nèi)壓約為理論計(jì)算值的75%，自緊身管的安全系數(shù)可以取為藥室部n≧1.38膛線部n≧1.2炮口部n≧1.8§2.4自緊身管設(shè)計(jì)3）計(jì)算實(shí)際安全系數(shù)其中P1*為設(shè)計(jì)壓力考慮自緊過程和加334自緊身管加工4.1自緊時(shí)身管外表面應(yīng)變同內(nèi)壓的關(guān)系自緊時(shí)，身管外表面的切向應(yīng)變值的大小與自緊時(shí)的內(nèi)壓有著一定的關(guān)系。這種關(guān)系是控制自緊參量，檢驗(yàn)自緊身管性能的主要依據(jù)。一般用測量和控制外表面的切向應(yīng)變來控制身管的自緊程度。（1）彈性加載過程（O→A）§2.4自緊身管設(shè)計(jì)4自緊身管加工4.1自緊時(shí)身管外表面應(yīng)變同內(nèi)壓的關(guān)系34（2）彈塑性加載過程（A→B）彈塑性加載過程，外表面仍處于彈性狀態(tài)。外表面無外壓，不考慮軸向應(yīng)力影響§2.4自緊身管設(shè)計(jì)若考慮其他因素影響，進(jìn)行修正，則以Kσs代替σs（2）彈塑性加載過程（A→B）彈塑性加載過程，外表面仍處35（3）彈性卸載過程（B→C）卸載結(jié)束時(shí)，p1=0，外表面殘余切向應(yīng)變不考慮反向屈服影響，卸載過程為彈性卸載過程，即OA∥BC。OA的斜率BC過B點(diǎn)，即BC的直線方程為由于材料反向屈服特性的影響，實(shí)際外表面殘余切向應(yīng)變比理論值要?。˙→C’）。§2.4自緊身管設(shè)計(jì)（3）彈性卸載過程（B→C）卸載結(jié)束時(shí)，p1=0，外表面殘余364.2自緊曲線（1）自緊曲線（2）自緊曲線的測量（3）自緊曲線的控制考慮到材料的屈服極限的可能變化，對應(yīng)σs-Δσs、σs、σs+Δσs可作三條p1～εt2；考慮到自緊度的可能變化，對應(yīng)ρ-Δρ、ρ、ρ

+Δρ可作三條射線；這些曲（直）線圍成的面積就給出了自緊控制范圍，即對給定的σs、ρ，實(shí)際p1～εt2應(yīng)在自緊控制范圍之內(nèi)?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)4.2自緊曲線（1）自緊曲線（3）自緊曲線的控制§2.437（4）實(shí)際自緊參數(shù)計(jì)算根據(jù)實(shí)測的身管外表面最大切向應(yīng)變εt2m可以計(jì)算出對應(yīng)塑性變形半徑和自緊度理論上，自緊身管所能承受的最大內(nèi)壓就是對應(yīng)自緊度的自緊壓力P1（彈性強(qiáng)度極限），經(jīng)修正實(shí)際上，考慮到各種因素影響，為了安全起見，一般是根據(jù)實(shí)測的自緊曲線來確定自緊身管所能承受的最大內(nèi)壓（彈性強(qiáng)度極限）。給定壓力P0(一般為155MPa)，對應(yīng)自緊曲線上的切向應(yīng)變?yōu)棣舤20，過該切向應(yīng)變作平行線對應(yīng)自緊曲線上的壓力就作為自緊壓力P1。§2.4自緊身管設(shè)計(jì)（4）實(shí)際自緊參數(shù)計(jì)算理論上，自緊身管所能承受的最大內(nèi)壓384.3加工對自緊身管彈性強(qiáng)度極限的影響自緊過程一般是對毛坯，自緊后，將毛坯加工成身管，去掉一層金屬，必然引起身管壁內(nèi)殘余應(yīng)力的重新分布，以及自緊身管的彈性強(qiáng)度極限。假設(shè)加工時(shí)及加工后彈塑性交界面的半徑不變，并且加工時(shí)殘余應(yīng)力的變化過程為彈性的。加工前，身管的內(nèi)外表面半徑為r1、r2，加工后，身管的內(nèi)外表面半徑為r’1、r’2。（1）加工內(nèi)表面當(dāng)內(nèi)表面半徑r1→r’1時(shí)，加工后內(nèi)表面上的徑向殘余應(yīng)力等于零，相當(dāng)于在加工表面處作用一個(gè)與之大小相等，而方向相反的壓力p*1’=-p’1’。塑性區(qū)的徑向殘余應(yīng)力§2.4自緊身管設(shè)計(jì)4.3加工對自緊身管彈性強(qiáng)度極限的影響自緊過程一般是39p*1’作用下，引起的壁內(nèi)附加應(yīng)力加工后，身管壁內(nèi)剩余殘余應(yīng)力§2.4自緊身管設(shè)計(jì)p*1’作用下，引起的壁內(nèi)附加應(yīng)力加工后，身管壁內(nèi)剩余殘余應(yīng)40加工后，身管壁內(nèi)塑性區(qū)剩余殘余應(yīng)力加工后身管壁內(nèi)塑性區(qū)剩余殘余應(yīng)力與加工前身管壁內(nèi)塑性區(qū)殘余應(yīng)力相比，r1→r1’，對彈性區(qū)也有相同結(jié)論。即，相應(yīng)彈性極限§2.4自緊身管設(shè)計(jì)加工后，身管壁內(nèi)塑性區(qū)剩余殘余應(yīng)力加工后身管壁內(nèi)塑性區(qū)剩余殘41（2）加工外表面當(dāng)外表面半徑r2→r2’時(shí)，加工后外表面上的徑向殘余應(yīng)力等于零，相當(dāng)于在加工表面處作用=一個(gè)與之大小相等，而方向相反的壓力p*2’=-p’2’。彈性區(qū)的徑向殘余應(yīng)力§2.4自緊身管設(shè)計(jì)（2）加工外表面§2.4自緊身管設(shè)計(jì)42在p*2’作用下，引起的壁內(nèi)附加應(yīng)力加工后，身管壁內(nèi)剩余殘余應(yīng)力§2.4自緊身管設(shè)計(jì)在p*2’作用下，引起的壁內(nèi)附加應(yīng)力加工后，身管壁內(nèi)剩余殘余43加工后，身管壁內(nèi)彈性區(qū)剩余殘余應(yīng)力，可以導(dǎo)出加工后身管壁內(nèi)彈性區(qū)剩余殘余應(yīng)力與加工前身管壁內(nèi)彈性區(qū)殘余應(yīng)力相比，r2→r2’，對塑性區(qū)也有相同結(jié)論。即，相應(yīng)彈性極限§2.4自緊身管設(shè)計(jì)加工后，身管壁內(nèi)彈性區(qū)剩余殘余應(yīng)力，可以導(dǎo)出加工后身管壁內(nèi)彈44（3）說明加工后，自緊身管壁內(nèi)剩余殘余應(yīng)力分布與一個(gè)具有與加工身管最后尺寸相同的自緊身管壁內(nèi)殘余應(yīng)力分布是完全一致的。計(jì)算加工后自緊身管的彈性極限內(nèi)壓，可借用與加工后尺寸相同的自緊身管的彈性極限內(nèi)壓來表示，但與自緊壓力的性質(zhì)不同。自緊身管加工內(nèi)表面加工外表面加工內(nèi)外表面考慮各種因素的影響，自緊時(shí)自緊壓力進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)修正§2.4自緊身管設(shè)計(jì)（3）說明加工后，自緊身管壁內(nèi)剩余殘余應(yīng)力分布與一個(gè)45謝謝！下次見！謝謝！46火炮設(shè)計(jì)理論

南京理工大學(xué)火炮教研室主講：張相炎教授聯(lián)系電話：84315581火炮設(shè)計(jì)理論南京理工大學(xué)火炮教研室主講：張相炎教授聯(lián)系47§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

1自緊身管1.1自緊身管

筒緊身管→壁內(nèi)的應(yīng)力分布均勻→提高身管的強(qiáng)度。多層筒緊→層數(shù)越多→應(yīng)力分布越均勻→強(qiáng)度也越高→加工困難。筒緊是一種工藝方法一種新的工藝方法→自緊身管自緊身管：經(jīng)自緊工藝處理的身管,也稱為自增強(qiáng)身管。1.2自緊原理制造時(shí)對其內(nèi)膛施以高壓，使內(nèi)壁產(chǎn)生塑性變形。內(nèi)壓去除以后，在內(nèi)壁產(chǎn)生與發(fā)射時(shí)符號相反的殘余應(yīng)力。發(fā)射時(shí)，發(fā)射工作壓力產(chǎn)生的應(yīng)力與自緊殘余應(yīng)力相迭加，使身管壁內(nèi)應(yīng)力趨于均勻一致，提高身管強(qiáng)度。

自緊原理：制造施壓塑變；卸載殘余應(yīng)力；發(fā)射應(yīng)力均勻?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)1自緊身管481.3自緊身管的特點(diǎn)（1）提高身管的強(qiáng)度；（2）可節(jié)省大量合金元素；（3）對提高身管壽命有利；（4）及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除毛坯中的疵病。

§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

1.3自緊身管的特點(diǎn)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)491.4自緊工藝自緊工藝有三種：液壓自緊法，擠擴(kuò)法（亦稱機(jī)械自緊法），爆炸自緊法。（1）液壓自緊開式閉式（2）擠擴(kuò)自緊（機(jī)械自緊）（3）爆炸自緊§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

TTTT1.4自緊工藝§2.4自緊身管設(shè)計(jì)TTTT502自緊身管應(yīng)力分析由于自緊身管產(chǎn)生比較大的塑性變形，因此采用材料的屈服強(qiáng)度極限，并采用第三或第四強(qiáng)度理論。這里我們采用第三強(qiáng)度理論，即最大剪應(yīng)力理論，其強(qiáng)度條件為：對火炮身管，σ1=σt，σ3=σr=-p，因此式中，2τm稱為第三強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)

2自緊身管應(yīng)力分析由于自緊身管產(chǎn)生比較512.1補(bǔ)充假設(shè)（1）身管材料的拉伸和壓縮特性一樣；這條假設(shè)就是為了略去鮑辛格效應(yīng)的影響（2）材料塑性變形后應(yīng)力不增加；

這條假設(shè)就是為了忽略材料強(qiáng)化（硬化）現(xiàn)象的影響（3）不考慮軸向應(yīng)力的作用。§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

2.1補(bǔ)充假設(shè)（2）材料塑性變形后應(yīng)力不增加；（3）不考慮522.2自緊時(shí)的應(yīng)力設(shè)：在自緊壓力P1作用下，身管從內(nèi)表面開始出現(xiàn)塑性變形，并且最終塑性區(qū)半徑達(dá)到ρ(r1＜ρ＜r2)，則身管壁內(nèi)分為塑性區(qū)(r=r1～

ρ)和彈性區(qū)(r=ρ～r2)。（1）彈性區(qū)彈性區(qū)相當(dāng)一個(gè)單筒身管，其內(nèi)徑為ρ，外徑為r2，在半徑ρ處的徑向壓力pρ，即為彈性區(qū)的彈性強(qiáng)度極限，采用第三強(qiáng)度理論時(shí)彈性區(qū)內(nèi)徑向應(yīng)力（壓力）彈性區(qū)內(nèi)的切向應(yīng)力彈性區(qū)內(nèi)按第三強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

2.2自緊時(shí)的應(yīng)力（1）彈性區(qū)彈性區(qū)內(nèi)徑向應(yīng)力（壓力）53（2）塑性區(qū)在塑性區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的相當(dāng)應(yīng)力均為屈服強(qiáng)度，即切向應(yīng)力半彈性狀態(tài)自緊時(shí)的內(nèi)壓§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

（2）塑性區(qū)切向應(yīng)力半彈性狀態(tài)自緊時(shí)的內(nèi)壓§2.4自緊身54（3）全塑性狀態(tài)：ρ=r2§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

（3）全塑性狀態(tài)：ρ=r2§2.4自緊身管設(shè)計(jì)55（4）第四強(qiáng)度理論的自緊壓力采用第四強(qiáng)度理論也可以導(dǎo)出自緊時(shí)的壓力對半彈性狀態(tài)對全塑性狀態(tài)實(shí)際身管材料存在一定的強(qiáng)化現(xiàn)象，通過自緊生產(chǎn)實(shí)踐得出全塑性狀態(tài)的自緊身管的自緊壓力可用如下經(jīng)驗(yàn)公式表示：半彈性狀態(tài)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

（4）第四強(qiáng)度理論的自緊壓力對半彈性狀態(tài)對全塑性狀態(tài)56（5）說明1）ρ的影響ρ↑→Wρ↑→→全塑狀態(tài)→全彈狀態(tài)2）W2的影響§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

W2↑→Z↑→提高強(qiáng)度越明顯（5）說明ρ↑→Wρ↑→→全塑狀態(tài)→全彈狀態(tài)2）W2的影響§572.3殘余應(yīng)力（制造應(yīng)力）自緊時(shí)，在自緊壓力P1作用下，身管從內(nèi)表面開始出現(xiàn)塑性變形，并且最終身管壁內(nèi)形成塑性區(qū)和彈性區(qū)。并且身管壁內(nèi)存在徑向應(yīng)力（壓力）p和切向應(yīng)力σt。卸去自緊壓力P1時(shí)，由于身管內(nèi)存在塑性變形，因此在卸載過程中自緊身管內(nèi)存在殘余應(yīng)力，也就是制造應(yīng)力或預(yù)應(yīng)力。卸載過程是彈性卸載，相當(dāng)于在一個(gè)內(nèi)徑為r1、外徑為r2，的彈性園筒上加一個(gè)-P1，而在身管內(nèi)形成附加應(yīng)力。附加應(yīng)力與自緊應(yīng)力的迭加就形成殘余應(yīng)力?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)

2.3殘余應(yīng)力（制造應(yīng)力）§2.4自緊身管設(shè)計(jì)58其中p”為附加壓力，即把身管看成單筒身管（彈性園筒）時(shí)，在自緊內(nèi)壓P1作用下，身管壁內(nèi)所產(chǎn)生的徑向壓力；p為自緊制造時(shí)身管壁內(nèi)的徑向壓力；p’為卸載后身管內(nèi)的殘余徑向壓力。其中σ”t為附加切向應(yīng)力，即把身管看成單筒身管(彈性園筒)時(shí)，在自緊內(nèi)壓P1作用下，身管壁內(nèi)所產(chǎn)生的切向應(yīng)力；σt為自緊制造時(shí)身管壁內(nèi)的切向應(yīng)力；σ’t為卸載后身管內(nèi)的殘余切向壓力?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)

其中p”為附加壓力，即把身管看成單筒身管（彈性園筒）時(shí)，在自59（1）附加應(yīng)力相當(dāng)在自緊壓力P1作用下，單筒身管（彈性園筒）壁內(nèi)形成的附加徑向應(yīng)力p”和附加切向應(yīng)力σ”t§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

（1）附加應(yīng)力§2.4自緊身管設(shè)計(jì)60（2）殘余應(yīng)力1）彈性區(qū)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

（2）殘余應(yīng)力1）彈性區(qū)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)612）塑性區(qū)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

2）塑性區(qū)§2.4自緊身管設(shè)計(jì)62§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

§2.4自緊身管設(shè)計(jì)632.4發(fā)射時(shí)的應(yīng)力發(fā)射前，身管壁內(nèi)存在殘余應(yīng)力。發(fā)射時(shí)身管在內(nèi)壓p1作用下，在身管壁內(nèi)形成新的附加剪應(yīng)力2τ”和附加徑向壓力p”，其值可將自緊身管看成單筒身管：身管壁內(nèi)的合成應(yīng)力為彈性區(qū)合成相當(dāng)應(yīng)力塑性區(qū)合成相當(dāng)應(yīng)力§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

2.4發(fā)射時(shí)的應(yīng)力發(fā)射前，身管壁內(nèi)存在殘余應(yīng)力64可以看出合成應(yīng)力的分布比筒緊身管更趨于均勻一致。為了使自緊身管在發(fā)射時(shí)塑性區(qū)不再進(jìn)一步增大，要求發(fā)射時(shí)的內(nèi)壓p1不大于自緊時(shí)內(nèi)壓P1，即p1<P1。當(dāng)p1=P1時(shí)，壓力分布理論上與自緊時(shí)一致。當(dāng)p1>P1時(shí)，身管內(nèi)表面將產(chǎn)生塑性變形，塑性區(qū)將逐步擴(kuò)大。發(fā)射時(shí)身管內(nèi)表面是不允許產(chǎn)生塑性變形的，因此，實(shí)際使用時(shí)p1≤P1?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)

可以看出合成應(yīng)力的分布比筒緊身管更趨于均勻一致。為了使自65希望σxdmax最小，令最佳自緊過應(yīng)變百分比為§2.4自緊身管設(shè)計(jì)

過應(yīng)變百分比（自緊度）希望σxdmax最小，令最佳自緊過應(yīng)變百分比為§2.4662.5不出現(xiàn)反向屈服的條件如果自緊身管內(nèi)壁的殘余應(yīng)力最大值|2τ’1|達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，則身管內(nèi)壁將要出現(xiàn)壓縮塑性變形，即反向屈服。這樣將會引起自緊身管壁內(nèi)的應(yīng)力重新分布，身管強(qiáng)度也不能進(jìn)一步提高。自緊身管不出現(xiàn)反向屈服的條件是解出不出現(xiàn)反向屈服時(shí)的自緊壓力不等式的右邊即為自緊身管的自緊壓力或強(qiáng)度極限的上限?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)

2.5不出現(xiàn)反向屈服的條件如果自緊身管內(nèi)壁的67對于全塑自緊身管(ρ=r2)，這就是全塑自緊身管不產(chǎn)生反向屈服的條件，即身管半徑比不能超過2.2（注意，這是由第三強(qiáng)度理論推出的，如用第四強(qiáng)度理論則約為2.0）。此半徑比的全塑自緊身管可以比單筒身管的強(qiáng)度提高1倍?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)

由于存在鮑辛格效應(yīng)，反向壓縮的屈服極限σ’s比材料拉伸（自緊過程）屈服極限σs要低，因此自緊壓力P1也要低。對全塑自緊身管，內(nèi)表面實(shí)際切向壓應(yīng)力比理論切向壓應(yīng)力低20%~40%，因此更容易導(dǎo)致反向屈服。GOTO對于全塑自緊身管(ρ=r2)，這就是全塑自緊身管不產(chǎn)68開式液壓自緊R開式液壓自緊R69閉式液壓自緊R閉式液壓自緊R70擠擴(kuò)自緊（機(jī)械自緊）R擠擴(kuò)自緊（機(jī)械自緊）R71R爆炸自緊R爆炸自緊72R鮑辛格效應(yīng)R鮑辛格效應(yīng)73R材料強(qiáng)化（硬化）現(xiàn)象R材料強(qiáng)化（硬化）現(xiàn)象74§2.4自緊身管設(shè)計(jì)3自緊身管設(shè)計(jì)3.1自緊身管彈性強(qiáng)度極限自緊身管彈性強(qiáng)度極限是射擊時(shí)自緊身管不產(chǎn)生新的塑性變形所能承受的最大內(nèi)壓。在不考慮鮑辛格效應(yīng)時(shí)，自緊身管彈性強(qiáng)度極限就等于自緊壓力P1。

如果工作壓力p1小于自緊壓力(彈性強(qiáng)度極限)P1，身管呈彈性狀態(tài)。如果工作壓力p1大于自緊壓力(彈性強(qiáng)度極限)P1，身管內(nèi)表面出現(xiàn)塑性變形?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)3自緊身管設(shè)計(jì)3.1自緊身管彈性753.2自緊身管的一般設(shè)計(jì)步驟(1)選擇身管材料，即確定了身管材料的σs；(2)選擇毛坯內(nèi)徑r1、外徑r2；(3)選取自緊度χ；(4)計(jì)算彈塑性區(qū)交界面半徑(5)計(jì)算自緊時(shí)的內(nèi)壓(6)對身管毛坯進(jìn)行自緊(7)按單筒身管的設(shè)計(jì)方法，計(jì)算設(shè)計(jì)壓力曲線，炮膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外形設(shè)計(jì)及調(diào)整?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)3.2自緊身管的一般設(shè)計(jì)步驟(1)選擇身管材料，即確定了76(8）強(qiáng)度校核按自緊身管的實(shí)際外形尺寸進(jìn)行強(qiáng)度校核。由自緊身管的合成應(yīng)力分布規(guī)律可知，自緊身管內(nèi)表面的合成內(nèi)壓（即徑向應(yīng)力）和彈塑性區(qū)交界面上的合成相當(dāng)應(yīng)力最大，所以應(yīng)該對此進(jìn)行強(qiáng)度校核。1）計(jì)算自緊身管內(nèi)表面的最大合成內(nèi)壓P1s采用第三強(qiáng)度理論采用第四強(qiáng)度理論§2.4自緊身管設(shè)計(jì)(8）強(qiáng)度校核按自緊身管的實(shí)際外形尺寸進(jìn)行強(qiáng)度校核。772）計(jì)算彈塑性交界面上的合成相當(dāng)應(yīng)力σxdρ=2τρs以上各式中的ρ應(yīng)為實(shí)測值。§2.4自緊身管設(shè)計(jì)2）計(jì)算彈塑性交界面上的合成相當(dāng)應(yīng)力σxdρ=2τρs以上各783）計(jì)算實(shí)際安全系數(shù)其中P1*為設(shè)計(jì)壓力考慮自緊過程和加工等因素的影響，自緊身管的實(shí)際彈性極限內(nèi)壓約為理論計(jì)算值的75%，自緊身管的安全系數(shù)可以取為藥室部n≧1.38膛線部n≧1.2炮口部n≧1.8§2.4自緊身管設(shè)計(jì)3）計(jì)算實(shí)際安全系數(shù)其中P1*為設(shè)計(jì)壓力考慮自緊過程和加794自緊身管加工4.1自緊時(shí)身管外表面應(yīng)變同內(nèi)壓的關(guān)系自緊時(shí)，身管外表面的切向應(yīng)變值的大小與自緊時(shí)的內(nèi)壓有著一定的關(guān)系。這種關(guān)系是控制自緊參量，檢驗(yàn)自緊身管性能的主要依據(jù)。一般用測量和控制外表面的切向應(yīng)變來控制身管的自緊程度。（1）彈性加載過程（O→A）§2.4自緊身管設(shè)計(jì)4自緊身管加工4.1自緊時(shí)身管外表面應(yīng)變同內(nèi)壓的關(guān)系80（2）彈塑性加載過程（A→B）彈塑性加載過程，外表面仍處于彈性狀態(tài)。外表面無外壓，不考慮軸向應(yīng)力影響§2.4自緊身管設(shè)計(jì)若考慮其他因素影響，進(jìn)行修正，則以Kσs代替σs（2）彈塑性加載過程（A→B）彈塑性加載過程，外表面仍處81（3）彈性卸載過程（B→C）卸載結(jié)束時(shí)，p1=0，外表面殘余切向應(yīng)變不考慮反向屈服影響，卸載過程為彈性卸載過程，即OA∥BC。OA的斜率BC過B點(diǎn)，即BC的直線方程為由于材料反向屈服特性的影響，實(shí)際外表面殘余切向應(yīng)變比理論值要?。˙→C’）?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)（3）彈性卸載過程（B→C）卸載結(jié)束時(shí)，p1=0，外表面殘余824.2自緊曲線（1）自緊曲線（2）自緊曲線的測量（3）自緊曲線的控制考慮到材料的屈服極限的可能變化，對應(yīng)σs-Δσs、σs、σs+Δσs可作三條p1～εt2；考慮到自緊度的可能變化，對應(yīng)ρ-Δρ、ρ、ρ

+Δρ可作三條射線；這些曲（直）線圍成的面積就給出了自緊控制范圍，即對給定的σs、ρ，實(shí)際p1～εt2應(yīng)在自緊控制范圍之內(nèi)?！?.4自緊身管設(shè)計(jì)4.2自緊曲線（1）自緊曲線（3）自緊曲線的控制§2.483（4）實(shí)際自緊參數(shù)計(jì)算根據(jù)實(shí)測的身管外表面最大切向應(yīng)變εt2