弹丸发射的强度及安全性设计优化

弹丸在发射时的安全性， 是指各零部件在膛内运动中都能保证足够的强度， 不发生超过允许的变形量， 炸药、 火工品等零部件不会引起自燃、 爆轰等， 使弹丸在发射时处于安全状态。

弹丸有足够的发射强度， 是指弹丸在最不利的发射情况下(即承受最大可能的载荷)， 弹壳及零部件的变形必须保持在允许的范围内。 显然， 这个允许的变形量是由弹丸在膛内的正确运动、 发射安全性及弹丸的作用可靠性决定的。 目前， 弹丸的强度计算还没有精确的解析方法， 一般使用简化公式计算应力、 应变， 或采取数值计算解近似解。 另外， 就是借助弹丸在使用中所积累起来的经验数据。 在确定弹丸的强度时， 最终还需要一系列严格的射击试验进行校核。

1.弹丸发射时所承受的载荷

1) 火药气体压力

炮膛内的火药气体压力分布不均匀， 膛底压力最大， 沿弹丸运动方向近似线性衰减。 通常所说的膛压实际上是指弹后容积的平均压力。

弹底压力与膛压之间有相对固定的关系。 若最大膛压为pm， 目前各类火炮均按下式来校核计算发射时弹丸的强度pj， 以保证发射的安全性。

pj = 1.1pm

2) 惯性力

弹丸在膛内做加速运动时， 弹丸及其零部件均受到直线惯性力(即轴向惯性力)。 旋转弹丸还会产生径向惯性力与切向惯性力。 在这三种力中， 最大的是轴向惯性力。 切向惯性力在极限条件下， 其值也不超过轴向惯性力的1/10；而在最大膛压处时， 径向惯性力仍很小。 因此， 在计算最大膛压下弹丸的发射强度时， 通常忽略切向惯性力和径向惯性力。 不过在考虑炮口区的弹体强度时， 应考虑径向惯性力的影响。

3) 弹带压力和导转侧力

弹丸挤进膛线， 弹带与炮膛壁之间存在一种作用力， 称为弹带压力， 其值的变化与膛压有关。 当弹带全部挤入膛线时， 弹带压力最大； 随着弹带磨损和膛压急剧上升引起炮膛径向膨胀， 弹带压力逐渐下降。 弹丸经过最大膛压点后， 弹带压力趋于稳定， 直至弹丸到达炮口， 弹带压力全部消失。 影响弹带压力的因素很多， 但都无法定量分析， 工程上通常利用模拟试验方法进行测量(或采用试验基础上的经验公式) 来确定弹带压力。(www.xing528.com)

对于线膛炮用薄壁弹， 还必须考虑弹带受到的导转侧力， 即弹丸嵌入膛线时， 膛线侧表面即导转侧对弹带凸起部产生的压力。

4) 不均衡力

旋转弹丸在膛内运动时， 由于弹丸质量的不均衡性、 旋转轴与弹轴的不重合、 火药气体合力的偏斜、 炮管的弯曲与振动等不均衡因素的影响， 弹丸的定心部与膛壁接触处会产生压力， 称为不均衡力。 对于旋转弹丸， 此力主要作用在定心部与弹带上， 方向为径向； 对于尾翼弹， 此力主要作用在定心部与尾翼凸起部。 这种力对弹丸的发射强度影响并不大， 但对弹丸在膛内的运动、 弹丸的炮口姿态影响较大， 从而直接影响弹丸的射击精度。

在上述载荷中， 火药气体压力是弹丸强度与安全性问题的基本载荷。 不均衡力、 导转侧力等横载荷对一些薄壁、 结构复杂的弹丸强度也有很大影响。

2.弹丸发射强度分析与计算

发射强度的分析方法： 计算在各种载荷下所产生的应力与变形， 当其满足一定强度条件时， 即达到设计要求。

主要校核内容： 发射时， 弹体的受力状态和变形、 弹体强度计算、 弹底强度计算、 弹丸零部件的强度计算。

3.发射安全性

弹丸的主要装填物是炸药， 因此必须保证发射时炸药的安全性。

发射时， 在炸药中作用有惯性力和相应的应力， 并使炸药内部产生变形而形成热点。 如果应力过大， 热点效应就会使炸药起爆， 引发早炸。 因此，必须限制发射时炸药内的最大应力。 通常， 主要用最大炸药应力小于允用应力来校核发射安全性。