Научная статья на тему 'О реализации системного подхода при проектировании командных деталей и узлов сложных технических систем'

О реализации системного подхода при проектировании командных деталей и узлов сложных технических систем Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

CC BY
216
168
Поделиться
Ключевые слова
СЛОЖНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ / КОМАНДНЫЕ ДЕЛИ И УЗЛЫ / УСЛОВИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ / АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ / ОПТИМИЗАЦИОННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ / ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА / СТВОЛ

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Егоров В. В., Зайцев А. С., Лепеш Г. В.

Рассматривается в общетеоретическом плане системный подход к проектированию командных деталей или узлов для сложных технических систем. Основным принципом является определение системы условий работоспособности, которая выявляется при рассмотрении командной детали как элемента различных систем и подсистем. Приводится практический пример проектирование ствола для газодинамической системы классической схемы среднего или крупного калибров.

Похожие темы научных работ по машиностроению , автор научной работы — Егоров В.В., Зайцев А.С., Лепеш Г.В.,

ON THE IMPLEMENTATION OF A SYSTEMATIC APPROACH IN THE DESIGN OF THE MAIN PARTS AND COMPONENTS OF COMPLEX TECHNICAL SYSTEMS

Here is considered theoretical basis of optimal design of main parts and components of complex technical systems. The main principle is to define the health conditions complete system, that achieves the conditioning part or site to different systems and subsystems. Provides a practical example of such design. This designing of barrel gas dynamic system shells medium or large caliber.

Текст научной работы на тему «О реализации системного подхода при проектировании командных деталей и узлов сложных технических систем»

Am

^^МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК 681.5

О РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОМАНДНЫХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В.В. Егоров1, А.С. Зайцев2, Г.В. Лепеш3

1,2Балтийский государственный технический университет (БГТУ) "Военмех" им. Д. Ф. Устинова, 198005, Санкт-Петербург ,1-я Красноармейская ул. д. 1;

3Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),

191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21

Рассматривается в общетеоретическом плане системный подход к проектированию командных деталей или узлов для сложных технических систем. Основным принципом является определение системы условий работоспособности, которая выявляется при рассмотрении командной детали как элемента различных систем и подсистем.

Приводится практический пример проектирование ствола для газодинамической системы классической схемы среднего или крупного калибров.

Ключевые слова: сложные технические системы, командные дели и узлы, условия работоспособности, автоматизированное проектирование, оптимизационное проектирование, газодинамическая система, ствол.

ON THE IMPLEMENTATION OF A SYSTEMATIC APPROACH IN THE DESIGN OF THE MAIN PARTS AND COMPONENTS OF COMPLEX TECHNICAL SYSTEMS

V.V. Egorov, A.S. Zajcev, G.V. Lepesh

Baltic State Technical University "Voenmeh"D.F. Ustinov, 198005, St. Petersburg, street 1th Krasnoarmejskaja, 1;

St. Petersburg state University of Economics (SPbSEU), 191023, Saint-Petersburg, Sadovaya street, 21.

Here is considered theoretical basis of optimal design of main parts and components of complex technical systems. The main principle is to define the health conditions complete system, that achieves the conditioning part or site to different systems and subsystems. Provides a practical example of such design. This designing of barrel gas dynamic system shells medium or large caliber.

Keywords: complex technical systems; the main parts and components; the health conditions of the system; computer-aided design; the optimized design; gas dynamic system; shells.

Разработка современных сложных технических систем (СТС) проходит таким образом, что в качестве реального объекта технического проектирования выступает не обособленное изделие, а изделие со всей совокупностью условий - конструкторских, технологических, эксплуатационных и т. д. - необходимых для его рентабельного производства, надежного функционирования (работоспособности) за установленный период эксплуатации [1].

Такой подход к проектированию СТС, получивший название «системного» [2], целесообразно использовать и для поиска опти-

мальных проектных решений командных деталей и узлов.

При данном подходе СТС рассматривается как множество элементов, взаимосвязанных между собой и образующих некоторое цельное единство [1, 3]. В свою очередь каждый элемент может быть раскрыт и представлен как система, став подсистемой для предыдущего уровня. Таким образом, образуется теоретически бесконечная иерархическая структура систем и подсистем [1,2], глубина которой должна быть ограничена требуемой степенью детализаций. Степень этой детализации дикту-

ется на каждом этапе проектирования опытом проектировщика. [2]

Следовательно, можно говорить о том, что системный подход в рамках своей методологии лишь отчасти формализует проектную деятельность, так как выработка приемлемой структуры системы остается творческой задачей. Поэтому структура системы может изменяться от проекта к проекту и должна отражать особенности принципиальной схемы СТС.

При рассмотрении командной детали или узла в рамках системного подхода в первую очередь необходимо выявить требования, которым должна удовлетворять её конструкция, - условия работоспособности, - рассматривая командную деталь как элемент различных систем и подсистем, полученных при декомпозиции технической системы.

Далее проектирование командной детали уже можно рассматривать как процесс генерации проектных вариантов с их одновременной или последующей экспертизой по установленным условиям работоспособности и на основе накопленного опыта проектирования аналогов или подобных деталей СТС для выбора одного варианта. Отметим, что одновременная экспертиза является предпочтительной, так как позволяет отсечь нежелательный проектный вариант еще до полной его генерации. При этом вероятность отыскать проектное решение, наиболее удовлетворяющее частному техническому заданию (ЧТЗ) на командную деталь, и выбранным критериям оптимизации существенно повышается при рассмотрении наибольшего числа альтернативных вариантов [4]. Критериями оптимизации, в частности, могут выступать параметры из условий работоспособности. Заключительным критерием может выступать себестоимость изготовления (или цена) командной детали, если она удовлетворяет требованиям ЧТЗ. При этом должен рассматриваться весь жизненный цикл детали в рамках СТС, что является весьма сложной задачей. Таким образом, графически можно представить процесс проектирования как нахождение во множестве проектных вариантов подмножества вариантов, удовлетворяющих ЧТЗ командной детали (рис. 1).

Количество рассматриваемых вариантов и глубина их проработки существенно зависит от этапа проектирования. Как правило, именно на ранних этапах проектирования проектировщику необходимо рассмотреть наибольшее количество проектных вариантов, кроме того на эти этапы отводится наименьшее количество времени. Это обусловлено слабой детализацией объекта на этой стадии, неполнотой или избыточностью технического задания, что может привести к корректировкам последнего. Изменение количества проектных вариантов можно иллюстрировать классической кривой убыва-

ния идей в процессе создания нового изделия (рис. 2) [4], одновременно с уменьшение возможных вариантов проектного решения растет количество доступной для разработчика информации.

Рисунок 1. Множество проектных вариантов командной детали: 1 - подмножество проектных вариантов, удовлетворяющих группе условий работоспособности А; 2 - подмножество проектных вариантов, удовлетворяющих группе условий работоспособности В, с выделением одного критерия оптимизации; 3 - подмножество проектных вариантов, удовлетворяющих ЧТЗ; 4 - множество проектных вариантов

Рисунок 2. Убывание числа новых идей в процессе создания нового изделия

Глубина проработки проектных вариантов также меняется при переходе между этапами проектирования. Так, по оценке [2] на стадии технического предложения отношение объемов проработки принципов действия, структуры, параметров объекта составляет около 50:20:3, на стадии эскизного проекта 1:10:20, а на стадии технического проекта 1:10:1000.

В теоретически общем случае решить задачу методом «генерация-экспертиза» не представляется возможным, так как количество возможных вариантов будет бесконечным. Поэтому с одной стороны необходимо свести количество решений к конечному числу, используя эвристические и эмпирические алгоритмы и соотношения, а с другой остановится на проверке только определенных параметров из

условий работоспособности, что обусловлено высокой вычислительной сложностью задачи. Такой подход позволит в дальнейшем при росте вычислительных возможностей включать в рассмотрение новые параметры из условий работоспособности.

Эффективная работа в рамках метода «генерация-экспертиза» на ранних этапах проектирования невозможна без создания специального программного обеспечения, так как необходимо рассматривать тысячи, миллионы вариантов проектных решений командной детали. На поздних же этапах проектирования, когда количество вариантов невелико и требуется их более детальная проработка, необходимо подключать к решению задачи общемашиностроительные САПР, включая модули инженерного анализа.

В качестве иллюстрации изложенного подхода рассмотрим эскизное проектирование ствола газодинамической установки - командной детали, во многом определяющей конструктивный облик ствольной системы в целом.

Принято ствол газодинамической установки (ГУ) рассматривать как элемент следующих систем и подсистем ствольного комплекса [5]:

1. Как элемент внутрибаллистической системы «ствол-заряд-снаряд», которая обеспечивает разгон снаряда заданного калибра и массы до требуемой начальной скорости за счёт давления пороховых газов в канале ствола, а также придает необходимую угловую скорость на выходе из канала ствола, если снаряд на траектории стабилизируется за счет вращения.

Следовательно, ствол как элемент внут-рибаллистической системы должен соответствовать начальным условиям внутрибаллисти-ческого процесса (условиям заряжания), а конструкция его канала должна обеспечивать расчётные характеристики внутрибаллистического процесса (давление газов на дно снаряда, как следствие, поступательную и вращательную скорость и т. д.), а его прочность должна быть достаточной, чтобы обеспечить эти внутрибал-листические характеристики.

2. Казенная часть ствола является элементом узла запирания канала, поэтому, ствол должен обладать в казенной части повышенной жесткостью, особенно в месте соединения с казенником, площадь сечения дна каморы должна давать приемлемое усилие на затвор с точки зрения надежности запирания и обтюрации пороховых газов. В случае если ставится условие быстросменности ствола, то необходимо специальное конструктивное исполнение ствола в месте его соединения с казенником, коробом или ствольной обоймой.

3. Как составной элемент откатных частей установки должен иметь массу, обеспечи-

вающую ее приемлемые динамические характеристики. Помимо этого, ствол как элемент откатных частей должен иметь конструктивную базу для направления при откате при предварительно принятой рациональной длине отката с учётом типа люльки и его расширения от давления газов и нагрева.

4. Как элемент качающейся и вращающейся частей (КЧи ВЧ) установки ствол должен не только обладать приемлемой массой, но и рациональным расположением центра масс относительно осей наведения. Это обеспечит приемлемые инерционные характеристики КЧ и ВЧ установки, а, следовательно, рациональную компоновку и характеристики приводов наведения, механизма стабилизации, уравновешивания КЧ.

5. Часть требований к конструкции ствола вытекает из рассмотрения ствола как основного функционального элемента газодинамической установки, а орудия - как элемента ствольного комплекса, включающего в себя кроме орудия боеприпас, носитель, приборы управления огнем. На ствол в составе артору-дия возлагается значительная часть задачи по обеспечению точности стрельбы ствольного комплекса. Поэтому конструкция ведущей части канала ствола должна отвечать требованиям надежной стабилизации снаряда и износостойкости, а ствол в целом - быть достаточно жестким. Также в конструкции ствола необходимо предусмотреть элементы для выверки прицельных приспособлений (площадки, риски для перекрестья и т. п.).

6. Как элемент некоторой технологической системы. Ствол газодинамической установки является сложным в технологическом отношении объектом - большая относительная длина, наличие высокоточного глубокого отверстия сложной формы, высокие требования по чистоте обработки рабочих поверхностей, соосности поверхностей, непрямоли-нейности канала, другим погрешностям формы и т. п. Не будем забывать и о высоких механических характеристиках орудийных сталей, что усложняет их обработку. В этой связи конструкция ствола должна обладать достаточной степенью технологичности, т. е. возможностью ее изготовления при оправданных затратах [6].

Эффективность и работоспособность ствольных комплексов определяются при рассмотрении внешних моделей их функционирования, т. е. моделей решения эксплуатационных задач [7]. В то время как работа ствола, как правило, описывается внутренними моделями (напряженно-деформированного состояния, нагрева, износа, динамики и т. д.). Соотношения между внешними и внутренними моделями функционирования описываются сложными имитационными моделями [8], включающими множество взаимосвязанных процессов, причем

с нестабильными характеристиками и внешними связями, поэтому целесообразно изучать вопрос о работоспособности стволов, оставаясь в рамках внутренних моделей, и определять отказ ствола через параметры, непосредственно относящиеся к нему.

Рассмотрение командной детали как элемента различного рода систем и подсистем СТС позволяет выявить условия работоспособности по внутренним моделям функционирования, которые удобно свести в несколько групп:

Группа А - параметры, характеризующие общую поперечную, продольную и местную прочность ствола и его частей.

Группа Б - Параметры, характеризующие изменение формы, размеров и состояния поверхности канала ствола.

Группа В - Параметры, характеризующие ствол как механическую колебательную систему.

Группа Г - Параметры, характеризующие ствол как составную часть орудия.

Группа Д - Параметры, характеризующие технологический аспект.

В отдельную группу Т выделим параметры, определяющие тепловой аспект, так как влияние нагрева влияет в большей или меньшей степени на большинство условий работоспособности.

Для каждой группы систему условий работоспособности можно записать в виде неравенств вида А <[А] или Л> [А],где А - вектор параметров ствола, [А] - вектор допустимых значений этих параметров.

Представление условий работоспособности в такой форме записи позволяет формализовать экспертную оценку проектных решений, но требует установления допустимых значений оцениваемых параметров. По существу, допустимые значения (или диапазоны значений) параметров в условиях работоспособности отражают накопленный опыт проектирования работоспособных, конструктивно целесообразных и технологичных конструкций стволов АО [4]. Характерным примером могут служить нормы (запасы) поперечной прочности, применяемые при проектировании стволов, категории прочности, установленные для специальной (ствольной) стали, рекомендации по допустимому уровню нагрева и др.

Эскизное проектирование ствола по существу сводится к назначению его внутренних размеров, соответствующих баллистическому решению, и определению наружных размеров, обуславливающих его несущую способность по отношению к действующим при выстреле нагрузкам (в первую очередь давлению пороховых газов). Необходимо также учесть сочленение ствола с люлькой (опорным узлом), соединение с казёнником и затвором (узлом запирания канала), а также с возможными дру-

гими наствольными устройствами. Наружные размеры для типового эскиза ствола представлены на рис. 3.

* V- * "р к с1к * * с "5

1 —_

"^3 , ..

X [ К {//А—-1* 4

Рисунок 3. Конфигурация ствола при эскизном проектировании: 1 - нагрузочная кривая (кривая максимальных давлений на стенки ствола); 2 - требуемая несущая способность по внутреннему давлению (кривая желаемого сопротивления); 3 - кривая желаемого сопротивления с учетом модернизацион-ного резерва; 4 - несущая способность ствола-моноблока по внутреннему давлению (предел упругого сопротивления); dб - диаметр бурта; 1б - длина бурта; dy* - диаметр утолщения под казенник; 1у -длина утолщения под казенник; dц* - диаметр цилиндрической части; 1ц - длина цилиндрической части; dк* - диаметр меньшего основания переходного конуса; 1к* - длина переходного конуса^ - калибр; dпд* - диаметр перед дульным утолщением; dд -диаметр дульного утолщения; 1д - длина дульного утолщения; 1ст - длина ствола. Примечание: наружные размеры, содержащие в обозначении *, определяются в ходе проектирования

Диапазон изменения наружных размеров необходимо ограничить и сделать дискретным, чтобы задача свелась к конечному числу вариантов. Часть размеров определяются из конструктивно-технологических соображений. Например, диапазон изменения длины переходного конуса 1к* определяется из конструктивных соображений.

Нижняя граница диаметральных размеров ствола определяется соответствующими диаметральными размерами канала.

Верхняя граница для диаметров может быть принята по верхней границе известных рациональных соотношений [5] наружного и внутреннего диаметров с некоторым сом: , где - верхняя граница

диапазона возможных значений для диаметра,

- максимальный диаметр канала ствола в пределах цилиндра. Также необходимо учесть, что толщина стенки перед дульным утолщени-

ем должна быть не менее 0,15^, т. е. dк должно быть не менее 1,3^, где d - калибр орудия.

Чтобы дискретизировать диапазоны размеров, желательно из соображений технологичности использовать ряды нормальных линейных размеров. Также, соответственно, необходимо округлить до чисел из этого ряда в большую сторону нижние границы диапазонов.

По сложившейся традиции, при проектировании стволов не оперируют конкретной маркой материла, а задаются категорией прочности, которая соотносится с определенной маркой ствольной стали, т. е. с гарантированным уровнем прочностных, упругих и усталостных показателей. Диапазон изменения категории прочности принимается так же дискретным. Нижняя граница диапазона определяется либо минимальной категорией прочности ствольной стали по соответствующему стандарту, либо из условия обеспечения прочности полей нарезов канала ствола. Верхняя граница зависит от технологических возможностей (О-120...О-125, что соответствует пределу упругости материала не менее 1200.1250 МПа).

Но даже в случае ограничения и дискретизации диапазонов изменения размеров и категории прочности число возможных проектных вариантов ствола, которые необходимо проверить на соответствие условиям работоспособности, составляет сотни миллионов. Поэтому целесообразно при эскизном проектировании проверить лишь основные условия работоспособности, имеющие большое значение на ранних этапах проектирования - характеристики поперечной прочности ствола, массовоцентровочные показатели, обоснованность выбранной категории прочности.

Поперечная прочность ствола с учетом резерва на модернизацию считается обеспеченной, если в опорных сечениях несущая способность ствола по внутреннему давлению (предел упругого сопротивления) превышает требуемую несущую способность по внутреннему давлению (кривую желаемого сопротивления) с учетом модернизационного резерва (рис. 3). Опорными сечениями будем считать сечения, где функция диаметра d = Д/) и функция желаемого сопротивления с учетом модернизацион-ного резерва рмод = Д/) или их первые производные терпят разрыв первого рода.

Функция желаемого сопротивления с учетом модернизационного резерва равна Рмод = РжПмод, где: Рж - функция желаемого сопротивления; пмод- коэффициент модернизаци-онного резерва, который должен быть получен как из анализа аналогичных конструкции, так и из результатов прогнозирования. В свою очередь функция желаемого сопротивления рж= ркн-«т, где: ркн - кривая давления на стенке ствола; пт - требуемый запас прочности.

Запасы прочности соотносятся с выбранной теорией прочности. Например, при проектировании стволов ГУ требуемый уровень прочностной надежности обеспечивает вторая теория прочности (теория наибольших деформаций) [5], запасы для которой представлены в табл. 1, а предел упругого сопротивления ствола оценивается приближенной зависимостью р 1 = - ■ ое- 2 а2+а2 , где ае - предел

упругости ствольной стали, соотнесённый с её категорией прочности.

Таблица 1 - Требуемые коэффициенты запаса прочности ствола по теории наибольших деформаций

Допустимый интервал массы ствола может быть указан в ТЗ либо определен из желаемой скорости свободного отката. Положение центра масс ствола также может быть указано в ЧТЗ либо принято по аналогу. Как правило, Он не должен располагается далее

0,28.0,32 длины ствола от казенного среза (без учета казенника и наствольных устройств), что имеет большое значение для улучшения эксплуатационных свойств ГУ и, в первую очередь, для облегчения уравновешивания качающейся части.

Выбор категории прочности диктуется толщиной стенки заготовки ствола ГУ по соответствующему стандарту (из соображения про-каливаемости):

о до 80 мм обеспечивается 0-100; о до 120 мм обеспечивается 0-85; о до 160 мм - 0-70.

В ходе проектирования может быть получено несколько вариантов, удовлетворяющих ЧТЗ. В этом случае необходимо выбрать один проектный вариант, основываясь на определенном критерии качества. Критерием качества (оптимизации) может служить один из параметров в группах условий работоспособности. Например, либо минимальная масса, либо ми-

Положение опорного сечения Коэффициент запаса

В пределах каморы 1 (без учета подкрепления казёнником)

От начала нарезов до сечения максимального среднебаллистического давления (МСД) Не менее 1,2 -для 1-% нарезки и гладкого канала Не менее 1,25 -для 1,5-% нарезки Не менее 1,3 -для 2-% нарезки

От сечения МСД до начала дульного утолщения Линейно возрастает от значения в сечении МСД до 1,9

В пределах дульного утолщения Не менее 1,9

нимальная категория прочности материала, либо минимальный прогиб от собственного веса и т.д.

Поиск оптимального проектного варианта по методу «генерация-экспертиза» в рассматриваемом примере может быть представлен следующей итерационной процедурой:

1. Генерация проектного варианта с размерами (<Лу*, dц*, dпд*, dк*, /к*) и категории прочности материала из соответствующих диапазонов.

2. Поскольку принятая информационная модель ствола (рис. 3) накладывает определенные эвристические ограничения на соотношения размеров проектного вaриaнтa:dу*>dц*^; dц*>dк*; dк*>dпд*, то производится проверка данных соотношений. Если приведенные соотношения не выполняются, то проектный вариант выводится из рассмотрения.

3. Проверка возможности достижения выбранной категории прочности во всех сечениях ствола (т. е. толщина стенки в сечении должна быть не больше предопределенной по стандарту для данной категории). Если категорию прочности невозможно обеспечить, то вариант исключается из рассмотрения.

4. Определение массы ствола. Если масса ствола выходит за заданные пределы, то вариант далее не рассматривается.

5. Определение центра масс. Если центр масс выходит за заданные пределы, то вариант исключается из рассмотрения.

6. Проверка поперечной прочности ствола. Если поперечная прочность не обеспечена, то вариант должен быть выведен из рассмотрения.

7. Если полученный проектный вариант не удовлетворяет пунктам 2..6, то генерируется новый. Если вариант удовлетворяет данным пунктам, то его необходимо сравнить с вариантом, удовлетворяющим ТЗ, полученным на предыдущей итерации, и выбрать лучший по заданному критерию оптимальности.

При реализации данного алгоритма время поиска оптимального решения в зависимости от степени детализации ЧТЗ составляет от нескольких секунд до нескольких минут, а все множество рассматриваемых проектных вариантов (область 4 на рис. 1,) составляет около 2 млрд. Полученный в итоге вариант с определенными наружной конфигурацией и категорией прочности материала, конечно, должен быть скорректирован при решении других типовых задач по стволу ГУ.

Современный этап развития ГУ определяется необходимостью дальнейшего повышения давления в канале ствола за счет применения в составе заряда высокоэнергетических топлив. В перспективных ГУ исследуется возможность формирования кратковременного импульса давления с амплитудой 700^800 МПа за счет сгорания топливного заряда. Такой им-

пульс распространяется с переменной скоростью вдоль ствола, достигающей значений 1500

- 1700 м/с. Длительность этого импульса для разрабатываемых систем составляет тысячные и сотые доли секунды. Это приводит к появлению динамических эффектов в стволе, длина которого достигает нескольких метров. Наиболее существенные эффекты связанны с радиальными колебаниями ствола. В течение процесса поверхность контакта топливных газов с каналом ствола переменна, что усиливает динамические эффекты за счет перемещения радиальной нагрузки вдоль ствола.

Проведенные с учетом движущейся динамической нагрузки расчеты [9] показывают наличие высокочастотного процесса деформирования стенок ствола, что приводит к росту напряжений на его внутренней поверхности, особенно интенсивному в момент прохождения фронта нагружения (рис.4). Эффекты динамичности воздействия нагрузки в полной мере реализуются в средней и дульной частях ствола (рис.5).

Рисунок 4. Изменение интенсивности напряжений (ГПа) для точек вблизи поверхности канала от времени (с) при движущейся по стволу нагрузке

Для расчетной модели ствола, длина которого составила 7 м, получены три характерные зоны со значительным повышением уровней интенсивностей напряжений, превышающих предел упругости ствольной стали ое = 1,250 ГПа, (рассматривается огибающая в момент ее максимальных значений за весь процесс с учетом периода последействия) - в сечении на расстоянии от казенного среза У = 5,56 м ^ ст. = 1,44 ГПа; У = 6,11 м ^ ст. = 1,91 ГПа; У = 6,96 м ^ ст = 1,97 ГПа (рис. 5). При этом материал ствола испытывает пластические деформации, что в конечном итоге может привести к его разрушению.

Максимальные значения коэффициента динамичности Ка для таких случаев можно определить как отношение интенсивности напряжений при динамическом расчете ст; к

интенсивности напряжений при статическом

ст.

расчете ст,

, т.е. К ="

о _________ст

ст

В первом приближении для статической оценки можно считать интенсивности статических напряжений по критерию Треска, характеризующим трубу, нагруженную внутренним

2

ст ^^^•'1' и -в

давлением р , т.е. ст; = р ■ ——, где аи -

наружный диаметр ствола в рассматриваемом сечении.

0,00Е+00 1,00Е+00 2,00Е+00 3,00Е+00 4,00Е+00 5,00Е+00 6,00Е+00 7,00Е+00 8,00Е+00

Рисунок 5. Расчетные огибающие наибольших напряжений (Па) по длине ствола (м): 1 - в статических и 2 - в динамических условиях

В таблице 2 сопоставлены значения статических и динамических интенсивностей напряжений в точках их локальных максимумов.

Таблица 2 - Локальные максимумы статических и динамических напряжений

Расстоя- Статиче- Динамиче- Коэффи-

ние от ское ское напря- циент ди-

казенно- напряже- жение ст, намично-

го среза Y, м ние ст]т, МПа i сти К

МПа

< 4,20 - - меньше единицы

4,45 1050 1300 1,24

5,56 800 1450 1,81

6,11 710 1910 2,70

6,60 700 1700 2,43

6,89 400 1980 4,95

Из таблицы следует, что коэффициент динамичности имеет значения в несколько раз превышающие единицу и возрастает к дульному срезу, где его значения достигают наибольших значений по двум причинам. Первая обусловлена наибольшими динамическими напряжениями, а вторая наименьшими статическими вследствие малой величины давления и дульного утолщения.

Полученные значения динамических напряжений значительно превышают статические и выходят за пределы, накрываемые коэффициентами запаса (табл.1). Следовательно, при проектировании стволов перспективных ГУ повышенного могущества необходимо учитывать значимость этих процессов, например, путем корректировки коэффициентов запаса.

Окончательно наружные размеры ствола определяются только в ходе компоновки качающейся и вращающейся частей и орудия в целом.

Литература

1. Котельников В.Г., Лепеш Г.В., Мартыщенко Л.А. Системный анализ качества и надёжности функционирования сложных техногенных комплексов// Технико-технологические проблемы сервиса. -2013. №

4 (26) - с . 35 - 41.

2. Новиков Б. К. Системные аспекты проектирования ствольного оружия. Учебник. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 518 с.

3. Уемов А. И. Системный подход и общая теория систем. М., «Мысль», 1978. - 272 с.

4. Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования, научное обоснование решений. М.: Мир, 1973. - 263 с.

5. Зайцев А. С. Проектирование артиллерийских стволов: учебное пособие /Балт. гос. техн. ун-т. -СПб. 2007. 164 с.

6. Туктанов А. Г. Технология производства стрелково-пушечного и артиллерийского оружия: учебник для студентов вузов.- М.: Машиностроение, 2007. -375 с.

7. Чуев Ю. В. Проектирование ствольных комплексов. М.: Машиностроение, 1976. 216 с.

8. Оценка и прогнозирование показателей качества функционирования артиллерийской системы / В сб. «ЦНИИ Материалов - 100 лет на благо России»: Научно-технич. сб. Юбилейный выпуск. - СПб., 2012. С.258 - 286.

9. Лепеш Г.В. Динамика и прочность труб и вращающихся изделий: Монография/ Лепеш Г.В. - СПб. : изд-во. СПбГУСЭ., 2010.-143 с.

2.50E+09

2.00E+09

2

1.50E+09

1.00E+09

5.00E+08

0.00E+00

1Егоров Владимир Викторович - ассистент кафедры "Стрелково-пушечного, артиллерийского и ракетного оружия" БГТУ «Военмех», моб.:+7(911)7953837, e-mail: knight-vladimir@yandex.ru;

2Зайцев Алексей Сергеевич - доктор технических наук, профессор кафедры "Стрелково-пушечного, артиллерийского и ракетного оружия" БГТУ "Военмех", моб.:+7 911 9390293, e-mail: zas1806@yandex.ru; ъЛепеш Григорий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения" СПбГЭУ, тел. (812) 362-44-13, моб. +7 921 751 28 29, e-mail: GregoryL @yandex. ru.