CC BY
21
Zubachev Alexey Mikhailovich, candidate of the military candidate of sciences, deputy head of the department of management, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Vlasov Roman Petrovich, candidate of technical sciences, head of the research laboratory, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Danilyuk Bogdan Aleksandrovich, adjunct, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 623.43.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-197-203
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ КЛАССИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ НА ОСНОВАНИИ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ СЛОЖНЫХ ВНЕШНИХ ПРОФИЛЕЙ СТВОЛОВ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ
МАЛОКАЛИБЕРНЫХ ПУШЕК
А.В. Кулагин
Предлагается подход исследования статической прочности некруглого внешнего поперечного сечения камора-максимальное давление на дно снаряда ствола после одного выстрела в виде изобар некруглого профиля методом конечных элементов с использованием классических подходов оценки некоторых задач надежности, механики разрушения, теории лафетов, газодинамики и прочности на примере ствола 30 -мм автоматической малокалиберной пушки 2А72 (2А42).
Ключевые слова. малокалиберная автоматическая пушка, ствол, некруглый профиль, прочность, изобары, метод конечных элементов. кривые давлений, крешерный метод измерения давлений, внутренняя баллистика.
В сложившихся непростых геополитических условиях военных операций со стороны недружественных стран, действия руководящего состава армии РФ и непосредственно, выполняющих боевые задачи контрактного состава с применением высокоточного оружия дают высокие результаты.
Однако следует обратить внимание на недостаточную оценку эксплуатационного применения некоторых образцов малокалиберных автоматических пушек, устанавливаемых на боевых машинах пехоты (БМП) и стратегической авиации, что может выразиться в совершенствовании решения задач прочности, надежности, газодинамики, теории лафетов свободного и торможенного отката, внешней и внутренней баллистики, теории упругости и пластичности, экономической эффективности и ряда других задач [1-12].
Здесь речь пойдет о ствольном комплексе легендарной пушки 2А-42 (усовершенствованный вариант 2А-72), созданный коллективом тульского конструкторского бюро приборостроения (КБП) под руководством Шипунова А.Г., Грязева В.П., Швыкина Ю.С. Рис. 1, 2. (Открытые источники. Интернет).
Сразу уточняем, что исследуется казенная часть ствола (камора) и начальный участок канала до максимального давления снаряда рсНтах, где располагается снаряд и начинается его движение для основного периода внутренней баллистики. Казенная часть имеет сложный внешний профиль, который неравномерно нагружается в процессе выстрела, да еще и работает в условиях циклической термопластической перегрузки и эрозионного износа [1,3-12]. Изобарное распределение напряжений описывается методом конечных элементов (МКЭ) [14,15].
Оригинальность такой разработки заключалась в частности и на применении безградиентного пороха, сглаживающего баллистические кривые внутренних давлений снаряда в канале ствола при перепаде внешних температур +50°С штатной эксплуатации ствола. Рис. 3. Большинство параметров приведено в оригинале технической системы измерений. (Открытые источники. Интернет). [1]:
Ркн =Ргн (1 + -—); Ргн = Рт „ +Дрт,
"кнтах "снтах \ 2 qj "снтах t=15°С —
где ю-вес заряда, q- вес снаряда, Дрт-поправка на давления температурных кривых и практически для этого можно ориентироваться только на вторую параболу рт ° при температуре 15°С ствола-моноблока. [1].
Давление рт ° находится по таблицам Главного Артиллерийского Управления В.Е. Слухоц-
кого, Н.Ф. Дроздова по параметру заряжания - В, плотности заряжания А, ю, q или крешерным методом, например, ввинтным типом прибора с пересчетом по таражной таблице в ходе испытаний по деформации медного цилиндрического столбика для 2-х вариантов 8х13, 10х15 мм с предварительным обжатием. ГОСТ 3779-55. Столбики крешерные медные. База данных скорректирована в соответствии с ГОСТом 4752-79. Рис. 4, 5 [4,16-18].
Рис. 1. Полигон Щегловской Засеки. Автоматическая пушка 2А42
Рис. 2. Пушка 2А42 на вертолете КА-50
Мр-50
кг/см2
р> Иг!смг 0,2 1,5 XI3
3 3,5 * 4,5 к9
'^'Т'и. Г
5 С
660 630
570
__ 510
0^146 а^мГЧ^Юб ' ~гп' '8 9 ю~п
Рис. 3. Кривые давлений на дно снаряда при разбросе эксплуатационных температур и по длине ствола, на дно канала, огибающей прочности и действительного прочного сопротивления
ствола-моноблока
5 - крешерная мастика
Рис. 5. Ввинтной крешерный прибор
На основании этого подхода предлагается способ оценки прочности для одного выстрела с учетом параметров внутренней баллистики, хотя этот вопрос достаточно исследовался в классических трудах разных направлений [1,4,5,13,16,17].
По-прежнему не будем приводить матричные уравнения МКЭ сил, перемещений, деформаций, напряжений, например, расчетной программы ANSYS и ряда других программных продуктов, а попытаемся обсудить результаты в более ранее использованных версиях программ, а также прочностных и баллистических испытаний опытного образца ствола ТКБ-689, созданной коллективом КБП и затвором, оснащенным тормозом отката-наката в виде тарельчатой пружины, которая воспринимает нагрузку отката-наката, выполненной в конце прошлого века сотрудниками Тульского машиностроительного завода.
Рассмотрим сечение в районе точки Аm диаграммы 3 рис. 3. с длиной 700 А7(+2) и вписанным диаметром по треугольной трапеции по высоте 84 С5(-0,46), длины опорной горизонтальной плоскости 70 Хэ, базовым размером 19,8-0,2, калибром 03О,55+од и категорией прочности материала 0-90. Конечно-элементная разбивка по каналу ствола не имеет существенного отклонения от классических зависимостей определения нормальных радиальных аг и окружных ав напряжений по сечению для моноблока кругового сечения (профиль скруглен по высоте трапеции и приведены изобары только наибольших напряжений ав) с внутренними и внешними радиусами а и Ь на текущем радиальном размере а< г <Ъ под внутренним давлениемр рис. 6 - 8 [8-11]
Ь2-а2\ г2)
030,55'41
60- 70 К, 60
Рис. 7. Поперечное сечение рг„ пушки 2А-42
131 ж
ж в) М
1 250 262 331 390 ЬХ
с7в,Мпа
Рис. 8. Идеализированное (круговое) поперечное сечение рсн с расчетными изобарами окружных
напряжений
Криволинейный элемент первого узла конечно-элементной сетки расчета напряжений приведен на рис. 9.
9
1
Рис. 9. Элемент МКЭ с узловыми точками
Изобары радиальных и окружных напряжений для расчетного профиля близкого к рис. 7 с внешними размерами полупрофиля некруглых участков а=3.5 см, Ь=4 см и внешнего круглого участка и калибра канала ствола Б=4,2 см, й=1,5 см, а также внутренним давлением рт = 37590 — и категорией прочности материала ствола по условному пределу текучести 0-90 - а5 = 88626 представлены на рис. 10 и 11. СМ
Далее теоретически и экспериментально оценивается статическая прочность после одного выстрела по эквивалентным напряжениям для пластичного материала (IV теория прочности энергии формоизменения, критерий Губера - Мизеса - Генки), которые рассчитываются по формуле
Оэ'кв = + -&з)2 + (03 -^1)2] <М,
200
где С1, с2, сз - главные напряжения, которые сочетаются комбинацией напряжений се и сг на площадках напряженного состояния материала ствола, [с] = —, [ст]-допускаемое напряжение, п - коэффициент запаса прочности, которые в этом сечении сопоставляют с нагрузкой на надежность (ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике.
8 7 6 5 4 3 2 1
300 200 100
аг , МПа
Рис. 10. Изобары радиальных напряжений поперечного сечения, приближенного
к реальному профилю
о=3.5 см Ь=4 см
Рис. 11. Изобары окружных напряжений поперечного сечения, приближенного к реальному профилю
Основные понятия. Термины и определения»), циклическую прочность некруглых профилей внешних контуров (ГОСТ 25.502-79. Межгосударственный стандарт «Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость») рис. 10,11, трещиностойкость (ГОСТ 25.506-85. «Методы механических испытаний металлов»), живучесть, долговечность, упруго - пластическое напряженно-деформированное состояние с поправкой на основную задачу внутренней баллистики и внешне баллистической корректировкой траектории полета снаряда [1,2, 4-13, 16-19].
Список литературы
1.Орлов Б.В. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий: учебник/ Б.В Орлов, Э. К Ларман, В. Г. Маликов. М.: Машиностроение, 1976. 432 с.
2. Акимов В.А. Надежность технических систем и техногенный риск: учебное пособие/ В.А. Акимов, Лапин В.Л, Попов В.М, Пучков В.А, Томаков В.И, Фалеев М.И. М.: ЗАО ФИД «Деловой экспресс», 2002. 368 с.
3. Малимон А.А. Отечественные автоматы (записки испытателя оружейника). Издательство: Министерство обороны российской федерации, 2000. 205 с.
4. Граве И.П. Внутренняя баллистика. Выпуск 1. Пиродинамика. Ленинград: Артиллерийская академия РККА, 1933 -1937. 159 с.
5. Кулагин В.И., Черезов В.И. Газодинамика автоматического оружия: учебник. М.: ЦНИИ, 1985. 256 с.
6. Порошин В.Б. Конструкционная прочность: учебник. Челябинск: Издательский центр ЮУр-ГУ, 2019. 335 с.
7. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций: учебник. М.: Машиностроение, 1990. 448 с.
8. Бабкин А.В., Селиванов В.В. Основы механики сплошных сред: учебник для высших технических учебных заведений. Прикладная механика сплошных сред т. I: учебник. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 374 с.
9. Селиванов В.В. Механика разрушения деформируемого тела: учебник для высших технических учебных заведений. (Прикладная механика сплошных сред т.2): учебник. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 420 с.
10. Атапин В. Г. Сопротивление материалов: учебник и практикум для вузов. М.: Издательство Юрайт, 2020. 342 с.
11. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2003. 560 с.
12. Толочков А.А. Теория лафетов артиллерийских установок: учебник. М.: Оборонгиз, 1960.
345 с.
13. Ермолаев С.И., Слухоцкий В.Е. Таблицы внутренней баллистики (Часть I. Давления). М.: Главное артиллерийское управление Красной армии. Военное издательство, 1943. 345 с.
14. Маркарьянц Г.М. Основы метода конечных элементов: учебное пособие / Г.М. Маркарьянц, А.Б. Прокофьев. Самара: Издательство Самарского государственного технического университета, 2013. 80 с.
15. Фокин В.Г. Метод конечных элементов в механике деформируемого твердого тела: учебное пособие. Самара: Издательство Самарского государственного технического университета, 2010. 131 с.
16. Медведева Н.П. Экспериментальная баллистика. Часть I. Методы измерения давления: учебное пособие. Томск: Издательство Томского университета, 2006. 172 с.
17. Вердин Г.Д., Родин А.А. Прикладная баллистика. Методы и средства баллистических измерений: учебник для баллистических факультетов вузов. М.: Машиностроение, 1975. 232 с.
18. Латухин А.Н. Бог войны. Серия «Есть встать в строй». М.: Издательство ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия», 1979. 256 с.
19. Кулагин А.В. Некоторые аспекты измерения давления крешерным методом и определения исходных данных для расчета ствола на прочность. Вестник Ижевского государственного технического университета. Ижевск, 2005, № 3. С. 6-8.
Кулагин Андрей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Удмуртия, Ижевск, Удмуртский государственный университет
THE STUDY OF THE APPLICATION OF CLASSICAL TECHNIQUES BASED ON THE ASSESSMENT OF THE STRENGTH OF COMPLEX EXTERNAL PROFILES OF BARRELS OF DOMESTIC SMALL-CALIBER
GUNS
A.V. Kulagin
An approach is proposed to study the static strength of a non-circular external cross-section of the chamber-the maximum pressure on the bottom of the barrel projectile after one shot in the form of isobars of a non-circular profile by the finite element method using classical approaches to assessing some reliability problems, fracture mechanics, carriage theory, gas dynamics and strength on the example of the barrel of a 30-mm automatic small-caliber gun 2A72 (2A42).
Key words. small-caliber automatic cannon, barrel, non-round profile, strength, isobars, finite element method. pressure curves, the cracker method of pressure measurement, internal ballistics.
Kulagin Andrey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, rekfuby2@rambler. ru. Russia, Udmurtia, Izhevsk, Udmurt State University
