在火炮发射过程中,弹丸和身管之间的相互作用是一个大滑移摩擦接触问题,传统的理论和方法由于难以精确描述弹丸和身管接触表面几何形状,在数值计算过程中弹丸和身管离散网格发生相互干涉,必然会导致接触分析中的一系列数值计算困难。随着现代火炮武器对射程和精度要求的不断提高,对弹丸膛内发射过程建模与分析的计算精度要求也越来越高,传统的设计理论与方法已难以适应设计高性能武器的要求。因此,寻求新的设计理论与数值方法,提高武器发射过程建模与分析的计算精度与效率迫在眉睫。本文以此为背景,提出采用等几何分析方法(Isogeometric Analysis,简称IGA)对弹丸与身管的大滑移摩擦接触问题进行探索研究。目前,等几何分析方法仍缺乏可用的商业软件和开源程序,本文利用FORTRAN语言自主编写了可扩展的等几何分析程序。在此基础上,分析了有解析解的带孔无限平板应力集中问题,验证了等几何分析方法的高精度和高效性。进一步讨论了有限元方法和等几何分析方法中不同细化模式下的收敛特性。从基函数、几何描述、细化过程和计算流程等方面,将等几何分析方法和传统有限元方法进行了较为全面的对比,从原理上阐述了等几何分析方法采用NURBS(Non Uniform Rational B-Splines)基函数所带来的几何精确性、边界连续性以及几何设计与分析的统一性等诸多优势。从二维接触问题入手,介绍了等几何分析方法中的KTS(knot to surface)接触搜索算法,推导并编制了二维等几何接触算法。以过盈配合问题为标准接触算例,对比了等几何分析方法和传统有限元方法所得接触应力的精度及连续性,结果表明等几何分析方法具有明显优势。针对接触算法中罚函数法的缺陷,提出了一种通过融合Mortar算法和Augmented算法,实现含修改增广因子的Augmented算法。在此基础上,分析了不同罚因子和网格密度的模型,验证了所提算法可以有效地抑制接触力在接触/非接触区域的振荡现象,并削弱了罚因子对接触力大小的影响。进一步研究了考虑摩擦的接触问题,针对库伦摩擦模型的高度非线性缺陷,引入了一种更容易收敛的数值算法,通过圆环滚动的标准算例,验证了摩擦接触程序的正确性。以弹丸与身管之间的二维摩擦接触问题为例,通过数值计算,揭示了弹带的接触力及弹丸的运动规律。在二维程序的基础上,推导并编制了三维等几何接触算法,以标准的方块接触算例验证了三维接触程序的正确性。根据弹丸与身管的结构特征和运动特性,详细阐述了其三维NURBS模型的构造过程。在此基础上,研究了三维弹丸与身管的大滑移摩擦接触问题,分析了弹带上下部分及轴向不同位置的接触力,通过与ABAQUS对比,验证了采用等几何分析方法进行接触计算时,NURBS几何体可以有效避免有限元网格中的奇点和尖点,从而获得更稳定的计算过程和更精确的计算结果。通过对不同弹带宽度、弹带直径下的运动过程对比,得到了弹丸结构参数对弹丸出炮口运动参数的影响规律。将成熟的遗传算法嵌入等几何分析框架并应用于弹丸与身管的结构优化问题。以提高身管刚度为主要优化目标,对火炮身管进行了优化分析,四组遗传算法策略结果表明,优化方案有效地提高了身管刚度。以弹带及身管的结构参数为设计变量,对弹丸沿身管的大滑移接触过程进行了优化分析,优化方案有效地减小了弹丸出炮口瞬间的起始扰动量。通过对比计算效率和优化流程的复杂程度,验证了采用等几何分析方法进行结构优化时,不仅可以获得更高的计算效率,而且大大简化了优化过程,从而有效缩短了整体优化周期。