Порядок проведения занятия

1. Выбрать один из вариантов практического задания (по согласованию с преподавателем), представленных в таблице 5.

2. Используя начальные данные, в программной среде Компас-3D разработать конструкцию артиллерийского фугасного снаряда. Рекомендуется начать с построения наружного очертания с учетом рекомендаций по выбору размеров головной, цилиндрической и запоясной частей в зависимости от начальной скорости. С учетом рекомендуемой толщины стенки корпуса разработать внутреннее очертание. При конструировании ориентироваться на характеристики, указанные в таблице 1

3. Используя литературу, подобрать головной (или донный) взрыватели.

4. Окончательно установить вес фугасного снаряда и рассчитать следующие динамические характеристики: положение центра тяжести относительно донного среза, полярный и экваториальный моменты инерции.

Таблица 5 – Исходные данные для конструирования фугасного снаряда

Вариант	d, мм	0, м/с	ВВ, г/см3
1	76	750	1,55
2	85	950	1,58
3	100	820	1,57
4	107	820	1,59
5	122	580	1,54
6	152	650	1,56
7	203	380	1,55
8	76	690	1,58
9	85	830	1,57
10	100	920	1,59
11	107	710	1,54
12	122	690	1,56
13	152	520	1,55
14	203	390	1,58
15	152	580	1,57

Литература

1. Средства поражения и боеприпасы: учебник / А.В. Бабкин, В.А. Велданов, Е.Ф. Грязнов и др.; Под общ. ред В.В. Селиванова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 984 с.

2. Галкин, В.М. Боеприпасы артиллерии и минометов / В.М. Галкин, Г.Ф. Колесников, Ф.Г. Чаусов. – М, 1950.

3. Курс артиллерии / Под общ. ред. А.Д. Блинова, Книга 2. Боеприпасы – М, 1949.

Лабораторная работа №2 (4 часа). Расчеты на прочность снарядов при выстреле Содержание занятия

При движении снаряда по каналу ствола на его оболочку действуют следующие силы:

а) сила давления пороховых газов;

б) силы инерции, возникающие в оболочке и снаряжении под влиянием ускоренного поступательного и вращательного движения снаряда;

в) радиальная сила реакции ведущего пояска, возникающая в результате взаимодействия между стенками канала ствола и пояском при врезании последнего в нарезы;

г) остаточные внутренние напряжения в корпусе снаряда, являющиеся следствием его штамповки или термической обработки;

д) сила ударов о стенки канала ствола;

е) сила тяжести;

ж) сила сопротивления воздуха.

Последние три силы и силы инерции, возникающие под влиянием вращательного движения снаряда, пренебрежимо малы по сравнению с прочими силами и потому при расчете снаряда на прочность не учитываются. Остаточные внутренние напряжения в металле корпуса в отдельных случаях могут достигать больших значений, однако недостаточная исследованность этого вида на­пряжений вынуждает отказаться от их учета при расчете снаряда на прочность.

Таким образом, при расчете снаряда на прочность при выстреле учитываются только сила давления пороховых газов, силы инерции от поступательного ускорения, возникающие во всех частях снаряда, и сила реакции ведущего пояска.

Под действием этих сил в оболочке снаряда возникают осевые, радиальные и тангенциальные напряжения и соответственные им деформации. Оболочка снаряда считается прочной, если при выстреле не происходит нарушения ее целостности и если изменения диаметров запоясной и цилиндрической частей корпуса не выходят за установленные техническими условиями пределы для данного калибра снаряда.

Требование обеспечения прочности оболочки удовлетворяется главным образом за счет правильно выбранных размеров (толщины стенок и дна) и механических свойств металла. Поэтому расчет прочности оболочки снаряда при выстреле сводится к установлению необходимой толщины стенок и дна оболочки и к назначению механических характеристик прочности металла. Эта задача является весьма трудной ввиду значительного количества сил, действующих на снаряд при выстреле, сложности законов их изменения и совместного действия на оболочку снаряда, разнообразия конструкций современных снарядов и возникновения в оболочке снаряда при выстреле остаточных деформаций.

Характер изменения сил, действующих на снаряд при выстреле, позволяет подразделить полное время движения снаряда по каналу ствола на три периода.

Первый период – от момента начала движения снаряда до момента полного врезания ведущего пояска в нарезы – характеризуется быстрым нарастанием силы реакции ведущего пояска, достигающей своего максимального значения к концу периода при наличии сравнительно невысокого давления пороховых газов и малого ускорения снаряда. В этот период деформации прогиба корпуса снаряда в области ведущего пояска достигают наибольшего значения, причем напряжения, возникающие в корпусе в области пояска для осколочных, осколочно-фугасных, фугасных и им подобных снарядов, как правило, превосходят предел текучести металла корпуса, и последний приобретает остаточные деформации, легко обнаруживаемые при обмере стреляных снарядов. Значения этих деформаций для прочных снарядов достигают 0,25…0,5 мм и больше на диаметр в области ведущего пояска, в зависимости от конструкции и калибра снаряда.

Второй период – от момента полного врезания ведущего пояска в нарезы до момента достижения максимального давления пороховых газов – характеризуется развитием наибольших значений сил инерции в оболочке и в разрывном заряде. Давление пороховых газов непосредственно действует на дно, а в дальнобойных снарядах – и на запоясную часть снаряда, вызывая дефор­мации прогиба и срезания дна и обжим запоясной части; последняя деформация влечет за собой уменьшение силы реакции ведущего пояска и может вызвать для тонкостенных снарядов частич­ную потерю контакта пояска с поверхностью канала ствола.

Поступательное ускорение снаряда вызывает развитие осевой силы инерции массы металла оболочки и давление вышележащих слоев металла на нижние, что в совокупности с влиянием инерции массы снаряжения вызывает деформацию раздутия корпуса снаряда в цилиндрической части над ведущим пояском. Деформации, вызываемые этими силами, являются наибольшими в момент достижения максимального давления пороховых газов.

Помимо этого, ВВ разрывного заряда под влиянием возникающих в нем напряжений от инерции массы вышележащих слоев способно самопроизвольно воспламеняться или детонировать, если напряжения превзойдут допускаемые для данного вида ВВ.

Третий период движения снаряда по каналу ствола – от момента достижения максимального давления пороховых газов до дульного среза – характеризуется убыванием сил, действующих на оболочку и ее снаряжение, и с точки зрения расчета прочности оболочки и стойкости снаряжения интереса не представляет.

Расчет снаряда на прочность при выстреле с учетом всех сил является весьма сложным. Для оценочных расчетов достаточно использовать формулы, учитывающие только силы инерции.

При выводе и использовании этих формул необходимо различать два случая расчета, зависящие от типа снаряда и характера снаряжения.

К первому случаю относится расчет на прочность неснаряженных снарядов или таких, снаряжение которых не влияет на прочность стенок оболочек. К таким снарядам относятся все шрапнели, зажигательные, осветительные, агитационные и в значительной части осколочные и кумулятивные снаряды. Расчет прочности оболочки этих снарядов сводится к нахождению осевых напряжений, возникающих в наиболее опасных сечениях оболочки, и к сравнению их с допускаемыми напряжениями.

Ко второму случаю относится расчет снарядов, снаряжение которых влияет на прочность оболочки при выстреле. К таким снарядам относятся фугасные, осколочно-фугасные, дымовые, химические и частично осколочные и бетонобойные.

Расчет обыкновенных бронебойных снарядов на прочность при выстреле практического смысла не имеет вследствие избытка прочности их корпусов и высоких механических свойств металла. Поддоны подкалиберных бронебойных снарядов должны рассчитываться на прочность по формулам, не учитывающим влияние снаряжения.

Расчет оболочек снарядов на прочность при выстреле складывается из расчета стенок корпуса, дна и прочих элементов оболочки

Рисунок 5 – Схема для определения осевых напряжений в стенках корпуса и заряде

Расчет осевых напряжений в стенках корпуса без учета снаряжения. При движении снаряда по каналу ствола в стенках его корпуса из-за наличия значительных продольных сил инерции возникают осевые напряжения, которые не должны превышать допускаемых величин.

Рассмотрим снаряд, изображенный на рисунке 5. Разделим его сечением n–n на две части (переднюю и донную) и определим осевые напряжения _x в этом сечении:

,

(2.1)

где F_ип – продольная сила инерции в передней части снаряда;

d₀ и d₁ – соответственно внутренний и наружный диаметры стенки корпуса в сечении n–n.

Силу инерции можно определить как произведение массы передней части q_п на ускорение движения снаряда с учетом уравнения поступательного движения снаряда массой q в канале ствола:

,

(2.2)

где  – коэффициент учета второстепенных работ.

Принимая во внимание максимальное давление пороховых газов p_max, получим условие прочности стенок корпуса снаряда:

,

(2.3)

где [_т] – предел прочности материала корпуса в рассматриваемом сечении.

Для сплошного снаряда d₀ = 0 и условие прочности примет вид:

.

(2.4)

Формулу (2.4) можно использовать для расчета прочности дна.

Расчет осевых напряжений в разрывном заряде. Во время стрельбы продольные силы инерции могут при определенных условиях привести к преждевременной детонации заряда ВВ в канале ствола. Это связано с тем, что напряжения в заряде могут превышать допустимые. Наибольшее напряжение в заряде будет соответствовать моменту действия максимального давления пороховых газов. Оно не должно превышать допустимой для данного материала ВВ величины [_]. Распределение осевых напряжений по длине заряда _x в момент р_max определяется формулой, аналогичной (2.4):

,

(2.5)

где _п – масса ВВ передней части по отношению к сечению n–n.

Для различных ВВ установлены верхние границы безопасного напряжения [_], за которыми не исключена детонация ВВ. Для дымного пороха допускаются напряжения не более 15 МПа; для тротила и аммотола – не более 100 МПа.

Если требования безопасности не удовлетворяются, необходимо прибегнуть к флегматизации ВВ.

Расчет осевых напряжений в стенках корпуса с учетом снаряжения. Если снаряжение является жидким или маловязким веществом, то полученное выше выражение для осевых напряжений в заряде (2.5) можно рассматривать как давление внутри корпуса в рассматриваемом сечении. Тогда максимальные значения радиальных _r0 и тангенциальных _t0 напряжений на внутренней поверхности корпуса можно определить по формулам Ламе:

;	(2.6)
,	(2.7)

Осевые напряжения _x, одинаковые по всему сечению, будут определяться по формуле (2.3).

Принимая за критерий прочности энергию формоизменения (согласно четвертой теории прочности), получаем выражение для интенсивности напряжений:

(2.8)

или

, где ; .

(2.9)

Тогда условие прочности примет вид:

.

(2.10)

Как видно из анализа формул (2.6) – (2.10), изменение величины _i может быть достигнуто путем изменения внутреннего диаметра d₀.