佛朗机炮设计
说明：本人未接触过任何军工方面的计算，也不从事相关行业，不知道如何进行 火炮 计算，但我可以用类似的工程计算来模拟。如有错漏敬请指教。
佛朗机炮设计
说明：本人未接触过任何军工方面的计算，也不从事相关行业，不知道如何进行 火炮 计算，但我可以用类似的工程计算来模拟。如有错漏敬请指教。
一、设计条件
(一)按“尊王攘夷”先生的贴子所提：
1. 郑成功 的“千斤佛郎机”弹丸重24斤，0.9072斤=1磅，24斤=26.45磅
2.“重千斤，弹重二十四斤，远至四五里”
由于 明朝 后经历清朝及民国的变动，当时的“斤”相当于现在的多少千克我们无从得知，但是 英国 没有大变动，因此其当时的计量单位由现在无大的变化。据此我们可以根据前提第一条件来计算 炮弹 质量。
1磅=0.4536kg
26.45磅=12 kg=24市斤与“尊王攘夷”先生所提 明朝 的24斤完全相同。
由此可以看 明朝 时我们的祖先真的非常伟大，很可能在当时就已经准确地定义了“克”这个质量单位，又领先了世界几百年，不然不可能准确的得出1斤等于现在的500克精确的数字。
计算射程，我手里实在打不到明朝时1里等于现在多少米，但既然“克”都能准确定义出来，长度单位定义更简单，不难想象明朝肯定能定义长度计量单位“米”，那么我们就按1里=500米来换算了。
由第2条件得出射程为2500米。考虑到不少人讥笑 英国 在19世纪还规定要在400米才开炮，那神圣的大明完全可以做到2500米的射程。
(二)材料条件
1.45号钢：σb=600MPa，σs=355MPa
2.HT200：厚度在150~300mm时，σb=120MPa，未查到σs值。
由于当时的条件不可能有现代45号钢类似的材料，连钢都没有或者很少。因此我们用最现代广泛用于常规零件的灰铸铁HT200，以现在的技术应该比当时的材料先进。当然有的人可能会说当时明朝比西方先进了几百年，早就能炼出钢了，如果是那样我们的祖先确实太聪明。不过有了那么先进的材料不直接制造现代后装炮，说好听点是“愚蠢”，说难听点纯粹他妈的一“蠢猪”。因此我们选定材料为HT200。
二、计算过程
1、 炮弹 体积和炮 口径
由于当时不可能有长型 炮弹 ，因此炮弹应该是通常的球体结构，而且大家都认为比明朝技术都还落后的 英国 不可能将24磅炮做到14.4厘米之么大的 口径 ，那么我们将明朝的佛朗机炮看成是一个纯粹的实心大铁球好了。
根据球体体积，我们可以计算出炮弹半径为72mm，即 口径 144mm。考虑到动能打击的原理，接触面积越小，打击越强，所以大明勇士一定会选144mm。
2、计算炮弹出膛速度
为简化计算，而且按最有利的条件计算我们完全不考虑空气阻力等的影响，假设炮弹在真空中运行。
由于当时的 舰炮 都是 加农炮 ， 加农炮 的射角为5~15°，我们按最有利的条件取15°计算好了。
根据抛物线运动，列出方程组
Vcosαt=2500
Vsinα=gt
解方程得到出膛速度V=313.16m/s，t=8.27s
3、计算炮弹在炮膛内的运动时间和加速度
其口径与出土文物口径差不多，其炮长175厘米，我们可以据此假设炮膛长度为175厘米好了。由于炮膛越长，炮弹能获得更高的初速，而且当时 加农炮 的身径比一般小于20倍，我们取炮弹膛内运动距离计算对其是相当有利的了。
为简化计算，而且也是最有利条件。我们假设炮弹为匀加速运动，列方程组：
S=（at2）/2
V=at
代入S=1.75m，V=313.16m/s，计算得
加速度a=28019.77m/s2, t=0.011s
4、计算炮弹受到的推力和底板受到的反作用力
F=Ma=336200N
此力也可以用动量冲量转换来计算得出。
5、计算膛压
由于容器内气体各方向压力是相同的，因此可以用底板受到的压力来计算膛压。
P=4F/（πd2=4*336200/（3.14* 1442）=20.66 MPa
我没有接触过军工，不知道这样高的膛压到底高不高，但是以我长期从事工程技术的经验来看这个压力有点高了.
6、计算底板厚度
我采用压力容器堵板的计算方法来计算这个厚度。
对圆形平板壁厚t=D（kP/（[σ]tφ）0.5+C
上式：
D为内径，
k按螺栓接取值，k=0.25
φ我们取最大值1
[σ]t按灰铸铁取值，[σ]t =12.8 MPa
C为附加厚度，取C=0
代入膛压计算得t=91.47mm
7、计算药室壁厚
由于压力容器不允许使用铸铁，因此无法套用压力容器设计规范。
我们套用工业金属管道设计规范，但其中铸铁管道最高允许使用压力为2.5MPa，按道理是不允许继续设计下去的。不过我们考虑神圣大明的疯子们敢干发扬不怕死的精神，我们仍然继续工作。
由于计算要先得到外径，因此我们按底板厚度t=91.47mm来考虑，预估壁厚ts=90mm，外径D0=324 mm
因为壁厚肯定超过/6，所以用公式
Ts=P D0/（2（[σ]Ej+PY）
其中Y=（Di+2C）/（Di+D0+2C）=0.31
ts=20.66*324/(2*(12.8*1+20.66*0.31)=174mm
与假设的90毫米不符，考虑到如果将ts增大，则计算结果更大，因此取小值ts=100mm，外径D0=344 mm，以求达到对大明勇士们最企望的效果。
8、计算底板重量
G=（ρπD02t）/4=（7.8*3.14*0.3442*0.0915）/4=0.066吨=66Kg
上述计算表明仅子统的底板部分重量即达66Kg，整个子统，还要加上药室部分，加上子统内膛，重量远大于此。（如果需要可以精确计算）
9、计算炮闩需要的受剪截面积
由于没有HT200的值，我们只能估计取值σs=80MPa，这个值绝对不会亏。
[σ]=σs/S
S为安全系数，由于大明勇士都神通广大，不怕死，将军和 皇帝 大人们更不用考虑士兵的生命，取S=2吧。
[σ]=σs/S=40 MPa
受剪截面积A=F/[σ]=336200/40=8404mm2
10、计算炮闩重量
由于炮闩要卡入外套中固定子统，所以长度大于底板外径，按444mm计算，并按最简单的结构长方体计算吧。
G=7.8*A*444=29.1 Kg
三、大明神圣佛朗机炮的操作
考虑到子统太重，干脆再给大明勇士设计一个葫芦省点力吧！不过神通广大的大明勇士们可能不需要。
考虑到各位大明勇士要达到每分钟6发的射速，即每发操作时间为10秒。拟定如下操作岗要：
1. 战斗 前各子统全部装填好，将第一个子统入外套内，准备 战斗 。
2.第一炮发射，待炮弹刚出膛，立即用大锤砸下楔子，时间有限，只能一个楔子敲一下，时间2秒。小心别砸到了人，楔子掉下来砸到脚概不负责，谁叫你是大明勇士，当然大明勇士都是神通广大的人物，一定不会砸到。
3.取下炮闩，用时1秒。29.1 Kg重
4.用绳子拉出子统，由于重达1吨以上，但时间有限必须在2秒内完成。欧阳锋在世啊！
5.将炮架复位，要在1秒内完成。
6.将挂好葫芦的子统在1秒内推入外套，由于时间太紧，一定要看准啊。现代熟练工人在起重工2人，钳工4人的情况下，利用葫芦等工具，至少也要15分钟以上才能达到此要求，而且间隙比这还大。
7.放入炮闩，要求1秒内完成。
8.打紧楔子，1.5秒内完成。
9.点火，炮弹出膛共0.5秒。
四、设计改进
1.考虑到子统太重，因此考虑在外套间设计中间腔室，利用 火药 气体压力减小子统内外压差，从而达到减轻重量的目的。底板部分是减不掉的，因此重量仍然在66Kg以上，要将这么重的东西在2秒内装入外套并锁紧，难啊！
2.可以将炮闩与子统合成一体，即底板部分伸出两个耳朵即可，但装入子统后需旋转一个角度才能到位。
3.考虑到子统仍然太重，可以设计一个滑车，将子统放到滑车上，装卸子统都使用滑车，可以降低工作量。
4.可以在外套上加密封齿，阻止 火药 气体泄漏，来解决气密性问题。
以上改进见图。
设计基本完成，对这个 巨炮 ，大明勇士们是不是应该满意了呢？
本文内容于 8/28/2009 10:59:10 AM 被benudb编辑
