彈膛開(kāi)槽對(duì)槍機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響的仿真分析

廖 輝，王 剛，張小石，楊 卓

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

手槍、沖鋒槍等自動(dòng)武器普遍采用自由槍機(jī)式自動(dòng)方式，用火藥氣體的能量來(lái)推動(dòng)槍機(jī)后坐。設(shè)計(jì)過(guò)程中為降低全槍質(zhì)量，采用了質(zhì)量相對(duì)較小的槍機(jī)。然而質(zhì)量較小的槍機(jī)導(dǎo)致槍機(jī)后坐速度過(guò)大，后坐到位的撞擊能量也會(huì)過(guò)大，影響連續(xù)射擊時(shí)的準(zhǔn)確性。一般采用膛內(nèi)開(kāi)槽的方法來(lái)降低槍機(jī)后坐速度，由于采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)計(jì)算方法難以得到準(zhǔn)確的數(shù)值解，因此本文采用有限元軟件來(lái)分析膛內(nèi)開(kāi)槽對(duì)槍機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。

1 自由槍機(jī)式自動(dòng)方式

自由槍機(jī)式自動(dòng)方式是指沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的閉鎖機(jī)構(gòu)，僅靠槍機(jī)的慣性和復(fù)進(jìn)簧力使槍彈在彈膛處于閉而不鎖的狀態(tài)。槍機(jī)在膛內(nèi)火藥燃?xì)鈮毫υ龃蟮綇楊^開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)開(kāi)始后坐，應(yīng)確保在膛壓較高時(shí)彈殼后移量很小，避免彈殼在膛壓較高時(shí)退到槍管外部導(dǎo)致炸裂［1］。自由槍機(jī)式武器要求彈殼長(zhǎng)度短、最大膛壓低、發(fā)射彈頭質(zhì)量小。為減小槍機(jī)后坐速度，可以采用膛內(nèi)刻螺旋槽或凹槽的方式增加后坐阻力，或采用前沖擊發(fā)以抵消一部分后坐能量，或者增加槍機(jī)質(zhì)量也可以取得一定的效果。

2 模型建立

2.1 內(nèi)彈道模型

首先利用經(jīng)典內(nèi)彈道理論編寫(xiě)內(nèi)彈道程序，得到膛壓曲線［2］。主要內(nèi)彈道公式為：

其中：l為彈丸位移；t為時(shí)間；v為彈丸速度；S為彈膛橫斷面積；φ為次要功系數(shù)；m為彈丸質(zhì)量；p為膛內(nèi)平均壓力；Z為火藥粒已燃相對(duì)厚度；u1為火藥粒燃燒速度；e1為1／2火藥粒厚度；n為燃速指數(shù)；lψ為藥室自由容積縮頸長(zhǎng)；f為火藥力；ω為裝藥質(zhì)量；ψ為火藥形狀函數(shù)；θ為火藥熱力系數(shù)；χ，λ，μ均為與火藥粒形狀尺寸相關(guān)的特征量；l0為藥室容積縮頸長(zhǎng)；Δ為火藥填裝密度；ρp為火藥密度；α為余容。

再利用半經(jīng)驗(yàn)公式（2）推導(dǎo)膛底壓力pT，得到如圖1所示的膛底壓力曲線：

其中：Φ1為彈丸質(zhì)量虛擬系數(shù)，此處取值1.05。

由圖1中可看到，膛底壓力在0.12 ms時(shí)達(dá)到最大值227 MPa，然后迅速下降，在2 ms后膛壓下降到可以忽略的程度。

2.2 虛擬樣機(jī)計(jì)算模型

本虛擬樣機(jī)的主要構(gòu)件有3個(gè)，分別為彈膛、槍機(jī)和彈殼［3］。結(jié)合模型軸對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，為減少計(jì)算量，只取模型的1／4進(jìn)行建模。在UG中完成該槍彈膛、槍機(jī)和彈殼的建模，再將模型導(dǎo)入ABAQUS中。在模型的對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束；由于不考慮槍機(jī)變形對(duì)分析的影響，對(duì)槍機(jī)施加剛體約束，為槍機(jī)運(yùn)動(dòng)添加帶有彈性的運(yùn)動(dòng)副，用于模擬復(fù)進(jìn)簧的作用，運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù)取為0.09；其余模型采用通用接觸設(shè)置，摩擦系數(shù)為0.11。

以某手槍為例，該槍采用9 mm手槍彈，彈殼為無(wú)凸緣的筒形彈。彈殼材料為覆銅鋼，材料塑性特性簡(jiǎn)化為雙折線，比例極限為235 MPa，強(qiáng)度極限為358 MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.5，采用彈殼口部定位的方式。在彈殼內(nèi)表面施加大小為pT的壓強(qiáng)載荷曲線用于模擬火藥壓力。

對(duì)彈殼和彈膛模型劃分六面體網(wǎng)格，單元類(lèi)型為C3D8I。外形較為復(fù)雜的槍機(jī)采用四面體自由網(wǎng)格，單元類(lèi)型為C3D10M。這兩種單元類(lèi)型對(duì)顯式動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)力問(wèn)題的模擬較好［4］。劃分網(wǎng)格后的模型見(jiàn)圖2。

圖1 膛底壓力曲線

圖2 劃分網(wǎng)格后的模型

參照某手槍的開(kāi)槽參數(shù)，再建立一個(gè)膛內(nèi)開(kāi)槽模型。設(shè)定開(kāi)槽最大深度為0.1 mm，槽邊緣倒半徑為5 mm的圓角與彈膛后段圓滑過(guò)渡，最大槽深處距槍膛尾端面距離為5 mm，開(kāi)槽模型的其余參數(shù)與未開(kāi)槽模型一致。彈膛內(nèi)開(kāi)槽后的模型如圖3所示。

3 彈殼運(yùn)動(dòng)理論分析

彈殼與彈膛的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)圖4。在膛壓上升階段，彈殼徑向膨脹，在走完彈殼與彈膛的間隙OB′后彈殼開(kāi)始擠壓彈膛。膛壓達(dá)到最大值pM時(shí)，彈殼與彈膛共同膨脹到A位置，此時(shí)殼膛間作用力最大，抽殼阻力也最大。膛壓下降階段，由于彈殼材料的彈性模量與彈膛材料彈性模量相近，因此其恢復(fù)線與彈膛的彈性恢復(fù)線平行。當(dāng)膛壓下降到可以忽略時(shí)，彈膛恢復(fù)至B′位置，彈殼恢復(fù)至f′位置，殼與膛之間仍有過(guò)盈量B′f′存在。彈殼在達(dá)到彈丸啟動(dòng)壓力時(shí)就開(kāi)始向后運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要克服抽殼阻力并推動(dòng)槍機(jī)后坐，直到彈殼完全從彈膛中抽出，彈殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖3 彈膛內(nèi)開(kāi)槽模型

圖4 彈殼與彈膛的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

圖5 彈殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程

4 仿真結(jié)果

4.1 槍機(jī)后坐速度

膛內(nèi)未開(kāi)槽時(shí)和開(kāi)槽后槍機(jī)的后坐速度見(jiàn)圖6。由圖6可以看出：膛內(nèi)未開(kāi)橫時(shí)槍機(jī)最大后坐速度為8.51 m／s；膛內(nèi)開(kāi)槽后，由于彈殼后坐阻力增大，槍機(jī)最大后坐速度下降到7.31 m／s，即速度下降了14.1%。根據(jù)得到槍機(jī)動(dòng)能下降26.2%，故膛內(nèi)開(kāi)槽可以有效降低槍機(jī)后坐速度，減小后坐能量。

圖6 槍機(jī)后坐速度對(duì)比

4.2 抽殼阻力變化曲線

提取結(jié)果中摩擦力與沿軸向接觸力的合力再乘以4，得到該彈殼抽殼阻力如圖7所示。抽殼阻力的變化趨勢(shì)與膛壓曲線變化趨勢(shì)相似，最大抽殼力在開(kāi)槽前、后基本保持不變，約7 000 N。開(kāi)槽后由于接觸表面外形變化，抽殼阻力出現(xiàn)較明顯振蕩，總體趨勢(shì)較光滑彈膛時(shí)下降慢。抽殼阻力將大量動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，有利于減慢槍機(jī)的后坐運(yùn)動(dòng)速度。

5 結(jié)論

采用膛內(nèi)開(kāi)橫槽方法在使用小質(zhì)量槍機(jī)的情況下，可以顯著降低自由槍機(jī)式武器的槍機(jī)后坐速度，并減小槍機(jī)后坐到位時(shí)的撞擊能量。同時(shí)由于最大抽殼阻力也能保持基本不變，因此保證了開(kāi)槽后抽殼動(dòng)作的可靠性。

圖7 抽殼力對(duì)比

［1］ 歐學(xué)炳，殷仁龍，王學(xué)顏.自動(dòng)武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1995.

［2］ 宋廣惠，王學(xué)顏.射擊過(guò)程中殼機(jī)力與抽殼力的計(jì)算機(jī)仿真［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（6）：41－46.

［3］ 康艷祥，張以都，白昭鵬.自動(dòng)武器抽殼力仿真及抽殼力相關(guān)研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2007（3）：18－22.

［4］ 徐耀春.艦炮抽殼系統(tǒng)非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析［D］.鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2011：66－70.