弹道学课设

沈阳理工大学装备工程学院综合课程设计说明书I成绩评定表学生姓名郭璐班级学号0911010201专业弹药工程与爆炸技术课程设计题目100毫米加农炮杀伤爆破弹空气动力特性分析和弹道计算评语组长签字：成绩日期20年月日沈阳理工大学装备工程学院综合课程设计说明书II课程设计任务书学院装备工程学院专业弹药工程与爆炸技术学生姓名郭璐班级学号0911010201课程设计题目100毫米加农炮杀伤爆破弹空气动力特性分析和弹道计算实践教学要求与任务:1用AUTOCAD绘制弹体零件图和半备弹丸图；2对弹丸结构进行空气动力特性分析；3利用所学方法进行弹丸空气动力参数计算；4根据弹丸空气动力参数进行弹道计算；5进行弹道飞行稳定性计算；6总结分析计算结果；7撰写课程设计说明书。工作计划与进度安排：1第一周：指导教师开题讲座，讲解规范综合课程设计的具体要求和时间进度安排，上机进行绘图作业。2第二周：根据课程设计任务要求，进行具体的分析计算并撰写课程设计说明书，打印图纸。3第三周：在完成前两周任务后，对整个设计过程进行分析总结，由指导教师组织学生进行答辩。指导教师：201年月日专业负责人：201年月日学院教学副院长：201年月日沈阳理工大学装备工程学院综合课程设计说明书III前言本次综合课程设计主要是对100mm加农炮杀伤爆破弹的空气动力特性分析和弹道计算。本说明书主要从弹丸结构分析，弹丸结构参数计算，弹丸运动状态下所受力与力矩的分析，弹丸运动状态下摩阻参数、涡阻参数、波阻参数的计算，弹丸弹形系数、弹道系数的计算，弹丸外弹道相关参数的计算，弹丸飞行稳定性的校核等方面进行阐述。本说明书第一部分为弹丸的结构分析和弹丸的空气动力分析计算。本部分内容主要是利用了弹丸空气动力学的理论。弹丸空气动力学是研究空气与在空气中飞行的弹丸之间相互作用的科学。具体可以归纳为：研究弹丸飞行时，周围空气的相对运动规律；空气与弹丸相互作用下的力和力矩组；寻求改善作用弹丸上的空气动力，提高飞行稳定性的一门科学。本部分相关的理论参考了《弹道学—空气动力学基本概念》。从弹丸的结构分析入手，进行结构参数的计算，为下面章节的计算提供相应的数据。同时，通过坐标系分析弹丸在空气中运动所受的力与力矩。本说明书第二部分是对弹丸在迎角为零的状态下，在空气中所受的力的计算。当迎角为零的状态下，弹丸只受弹体的摩阻、弹尾部的底阻、弹头部的波阻以及弹尾部的波阻。利用公式计算阻力参数得出相关的弹形参数以及弹道参数，为外弹道的计算提供相应的数据。本说明书第三部分是外弹道计算。外弹道计算有数值积分法、近似分析法和弹道表解法。本课设运用弹道表解法进行相关参数的计算。主要参数查找了国防工业出版社的《地面火炮外弹道表》上下两本书。外弹道学与弹丸空气动力学的关系极为密切，外弹道学是研究弹丸整个飞行过程的运动规律的一门科学，又称为弹丸飞行动力学。这是因为在解决外弹道一类问题时，总是首先建立运动方程，然后寻求计算方法，最后将所得结果进行分析讨论。本说明书的第四部分是将所得结果进行飞行稳定性校核。主要是陀螺稳定性和追随稳定性校核以及动态稳定性。学生签字:郭璐日期:2012年6月沈阳理工大学装备工程学院综合课程设计说明书IV目录1弹丸零件图和半备弹丸图的绘制..........................................12弹丸结构的空气动力特性分析............................................22.1弹丸结构分析.....................................................22.2弹丸结构参数计算..................................................22.3空气动力和力矩参数分析............................................33迎角为零时弹体空气动力特性计算........................................53.1弹体摩擦阻力系数的计算...........................................53.1.1弹头与引信的表面积计算.......................................63.1.2圆柱部表面积计算.............................................73.1.3弹丸底部表面积计算...........................................73.2弹体底部阻力系数的计算...........................................73.3弹头部波阻系数的计算.............................................83.4弹尾部波阻系数的计算..............................................94外弹道计算............................................................115弹丸飞行稳定性校核...................................................155.1弹丸陀螺稳定性计算..............................................155.2弹丸追随稳定性计算...............................................165.3动态稳定性校核...................................................196结果分析.............................................................207结束语...............................................................21参考文献................................................................22附图1：100mm加农榴弹炮杀伤爆破弹体图附图2：100mm加农榴弹炮杀伤爆破弹丸半备弹丸图沈阳理工大学装备工程学院综合课程设计说明书11弹丸零件图和半备弹丸图的绘制据任务书所提供的弹体结构简图和尺寸，运用AutoCAD2010绘制100mm加农杀爆弹弹体零件图和半备弹丸图，并根据图纸标出相关尺寸，尺寸较小的地方进行放大，以便于计算。画图内容：1.100mm加农榴弹炮杀伤爆破弹体图（见附图一）；2.100mm加农榴弹炮杀伤爆破弹丸半备弹丸图（见附图二）。进入AUTOCAD界面后，进行绘图。1.由弹体图的总体尺寸，进行页面的布局设置；2.利用图层管理器创建图层，设定线型、线宽和颜色，为便于绘图，最好多建图层，如粗实线、细实线、中心线、剖面线、尺寸线等，并设定好不同的颜色以及不同的线型和线宽；3.利用标注样式管理器，创建尺寸标注样式。根据需要，创建标准标注、带尺寸公差标注、圆柱标注等通过此次画图可以加深我们之前对弹丸的认识和理解，更了解了弹丸具体结构。比如：弹丸由三部分（弹头部、圆柱部和弹尾部)组成，弹头部有锥形、圆弧形和抛物线形；弹体有一定的比例，圆柱部在1～2d左右，弹带离弹尾大于d/4,弹尾锥角在9度等。有些弹丸还具有稳定装置。它这些都是为了达到减小阻力，加强稳定性和扩大装药量的综合利用。也加深了我们对CAD软件的运用，加强我们对机械制图的运用。更加熟练的进行利用标注样式管理器，创建尺寸标注样式，根据需要，创建标准标注、带尺寸公差标注、圆柱标注等。对特殊的地方进行放大或者解剖，便于识图和计算。沈阳理工大学装备工程学院综合课程设计说明书2βtβo2弹丸结构的空气动力特性分析2.1弹丸结构分析弹丸的弹体形状可看成是由一条母线绕对称轴旋转而成的，这样的物体称旋成体。一般由三部分组成：削尖的弹头部，延伸的圆柱部，收缩的弹尾部。对于尾翼稳定的弹丸还要加上稳定装置。弹头部也各有不同，大致可分为尖拱形、抛物线形和指数曲线形。本次课设的弹头为尖拱形。尖拱形是母线为一段圆弧，该圆弧可以同圆柱部母线平滑相切，也可以在接合部具有一个不大的折转角。为了分析方便，对旋成体经常采用柱坐标。2.2弹丸结构参数计算为了方便空气动力参数计算、外弹道计算以及飞行稳定性校核。首先我们先计算相关的弹丸结构参数。为分析方便，采用柱坐标系。100mm杀爆弹的旋成体结构图如图2.1所示。图2.1旋成体结构图组成旋成体的几何参量如下旋成体最大直径——Dm＝100mm；弹体圆柱部直径——D=99mm；旋成体底截面直径——Dd＝87.91mm；弹头部长度——Ln＝243.9mm；圆柱部长度——Lc＝211mm；弹尾部长度——Lt＝35mm；旋成体总长度——LB＝489.9mm；弹头部头顶角——β0＝10.7°；沈阳理工大学装备工程学院综合课程设计说明书3弹尾部收缩角——βt＝9°；引信曲率半径——R=800mm。除上述几何参量外，还有几个无量纲量旋成体长径比——λB＝BmLD=4.899引信相对曲率半径——R＝mRD＝8弹头部长径比——784.225.0nR圆柱部长径比——11.2mccDLλ弹尾部长径比——5.30mttDLλ旋成体收缩比——7728.02m2dmdDDSSdS2.3空气动力和力矩参数分析由于弹丸在空气中对空气作相对运动，因而弹丸与空气间存在着相互作用，其中空气对弹丸的作用力，称为空气动力。它在速度矢量方向的分量，就是空气阻力或迎面阻力。弹丸在空气中运动时所受的空气阻力主要有摩阻、涡阻和波阻。摩阻是弹丸在飞行过程中，沿途的、接近弹丸表面的一薄层空气不断被带动，消耗着弹丸的动能，使弹丸减速，与此相当的阻力就是摩阻。在亚音速状态下，摩阻一般占总阻的35%左右，超音速状态下仅占10%左右。减小摩阻的方法是尽量使弹体表面光滑。涡阻是由于附面层分离、形成旋涡而使弹丸前后有压力差出现而造成的阻力。在附面层不分离的条件下，涡阻就等于底阻。对于超音速弹丸而言，底阻约占总阻的30%左右。减小底阻的方法是尽量用底凹或底排装置。波阻是由于弹道波的形成而产生的阻力。弹道波在弹道学中包含弹头波、弹带波和弹尾波。在空气的强烈压缩下，弹头波最强。弹头越钝，扰动越强，产生的激波越强，消耗弹丸的动能也越多。一般对于超音速的弹丸，波阻应占总阻力的60%。根据理论可得，减小波阻的方法是尽量使弹头部锐长。沈阳理工大学装备工程学院综合课程设计说明书4当弹轴与速度矢量不重合即攻角0,弹丸受气流的面积增大，扰动加强。在这个方面，空气阻力在沿速度反向及垂直于速度方向分别产生分量即迎面阻力和升力。另一方面，空气阻力对质心也产生力矩作用，称为静力矩。而由于弹丸旋转，产生极阻尼力矩、赤道阻尼力矩、马格努斯力和马格努斯力矩。沈阳理工大学装备工程学院综合课程设计说明书53迎角为零时弹体空气动力特性计算根据上一章节的空气动力特性分析，当弹轴与速度矢量不重合时，所包含的力与力矩比较复杂。当迎角为零时，由于对称关系，弹体只受到轴向力，法向力和俯仰力矩均等于零。弹丸在空气中运动时，所受空气动力取决于弹丸表面的受力状况。在迎角为零时的轴对称流动时，一般附面层不但没有分离而且很薄。本次课程设计是在迎角为零的状态下进行计算。弹丸主要受到弹头部的波阻、弹尾部的波阻、弹底部的涡阻以及弹体整体的摩阻。所以在x0C为迎角为零时的阻力系数，在超音速下可写为0xxfxdxnxtCCCCC（3.1）式中，xfC——弹体摩阻系数；xdC——弹底部阻力系数；xnC——头部波阻系数；xtC——尾部波阻系数。3.1弹体摩擦阻力系数的计算摩阻是由于空气相对摩擦产生的阻力，弹丸在空气飞行中，带动弹丸表面薄空气从而消耗了弹丸的动能，减小了速度，摩阻和弹丸的表面光洁有