微后坐沖鋒槍全槍有限元仿真研究

張　克，袁　點

(中國兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京　102202)

微后坐沖鋒槍全槍有限元仿真研究

張克，袁點

(中國兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京102202)

摘要：為研究某新型微后坐沖鋒槍采用的遷移式自動機的抽殼過程及自動機的運動情況，并對已完成結構設計的沖鋒槍模型中的關重零件強度進行研究，因抽殼過程的高壓、瞬時性和復雜性，且其自動機運動時多體接觸比較復雜，為對微后坐沖鋒槍的研究工作帶來了一定的難度；使用ABAQUS有限元分析軟件，建立起了包含彈殼彈膛系統(tǒng)、遷移式自動機系統(tǒng)的全槍有限元模型，施加了火藥氣體力和復進簧力等載荷，對抽殼過程和關重件進行了強度與剛度分析。研究結果表明：抽殼過程安全可靠，主要零件強度剛度均達到設計要求，研究結果對新一代沖鋒槍的研制有一定的現(xiàn)實意義，該研究方法也可為其他自動機武器分析研究供參考。

關鍵詞：微后坐；沖鋒槍；有限元；遷移式自動機；ABAQUS

本文引用格式：張克，袁點.微后坐沖鋒槍全槍有限元仿真研究[J].四川兵工學報，2015(12):1-5.

Citation format:ZHANG Ke, YUAN Dian.Finite Element Analysis of Whole Micro-Recoil Submachine Gun[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(12):1-5.

Finite Element Analysis of Whole Micro-Recoil Submachine Gun

ZHANG Ke, YUAN Dian

(No.208 Research Institute of China Ordnance, Beijing 102202, China)

Abstract:Aimed at researching the process of extracting shell and the motion of vector-automatic mechanism used in micro-recoil submachine gun, the key parts’ strength and stiffness of the submachine gun model with completed structure were analyzed. While, with the extraction in high pressure and short time, the process and the whole structures’ multi-body were very complex, which increases difficulties to the study. By using FEA software-ABAQUS, we established the finite element analysis model which included cartridge-case and chamber system and the vector-automatic mechanism system, and the load was applied by powder gas force and recoil spring force and the extraction, and key parts for the strength and stiffness were analyzed. The results show that extraction is safe and reliable, and the main parts’ strength and stiffness meets the design requirement. The study results have certain practical significance on the development of a new generation of sub-machine gun and this research method can also be used in the analysis and research of other automatic weapon.

Key words:micro-recoil; submachine gun; finite element analysis; vector-automatic mechanism;

ABAQUS

某微后坐沖鋒槍采用遷移式自動機結構，遷移式自動機的槍機經一段直線后坐后到達遷移點，改變運動方向，沿斜向下方運動，達到將后坐能量向下遷移的目的，從而能較大幅度降低武器發(fā)射時的后坐力。遷移式自動機實際上屬于一種半自由槍機，其在發(fā)射時，火藥在彈膛內燃燒，一方面火藥燃氣力作用于彈殼徑向，使彈殼貼緊彈膛，完成發(fā)射時的彈膛封閉；另一方面火藥燃氣力用于彈底，當作用于彈底的的火藥燃氣力大到足夠克服彈殼與彈膛擠壓產生的摩擦力時，彈殼開始向后運動，擠壓槍機向后運動。由于彈殼與彈膛接觸及彈殼工作狀況的復雜性；又因遷移式自動機屬于半自由槍機，火藥燃燒階段已開始抽殼；另外，自動武器抽殼過程是一個瞬態(tài)動力學過程，對其影響因素眾多。因此對遷移式自動機的抽殼進行理論計算及對相連的自動機結構進行分析研究非常困難。

1有限元分析適用性選擇和基本假設

由于模型的高度復雜性和非線性，本文擬選用ABAQUS/Explicit模塊進行顯式動力學分析。ABAQUS是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到極富挑戰(zhàn)性的非線性問題，故適合本模型的分析。

1.1　動力學顯式有限元方法

(1)

其中：P為所施加的外力；I為單元內力。

在當前增量步開始時，計算加速度為

(2)

采用中心差分方法對加速度在時間上進行積分，假定加速度為常數(shù)，應用這個速度的變化值加上前一個增量步中心速度，確定出當前增量步中點速度為

(3)

速度對時間的積分加上在增量步開始時的位移，得增量步結束時的位移：

這件事在文壇一時傳為佳話，至今也為人稱贊。一贊茅盾的直言，二贊陽翰笙的雅量。不過在我看來，陽翰笙面對批評的風度尤值得稱道。

(4)

綜上，在增量步開始時提供了滿足動力學平衡條件的加速度，在時間上“顯式”地向前推算出速度和位移。“顯式”指在增量步結束時的狀態(tài)僅依賴于該增量步開始的加速度，速度和位移。隨著增量步的增加，循環(huán)以上顯式分析過程，最終完成有限元模型的分析計算[3]。

由于顯式方法的特點，它采用的是顯式地前推模型的狀態(tài)，所以不需要普通隱式計算的迭代和收斂準則。顯式方法求解不需要一個節(jié)點一個節(jié)點地迭代求解，故可以容易地模擬接觸條件和一些極度不連續(xù)的情況。綜上，遷移式自動機的有限元模型分析可采用ABAQUS/Explicit進行分析計算。

1.2　有限元模型基本假設

火藥燃燒及抽殼過程不考慮溫度影響；彈膛彈殼系統(tǒng)彈塑性變形規(guī)律符合雙折線模型；為簡化有限元模型，減小計算模型量[4]。槍管較原有槍管截短，只保留了彈膛部分；槍機忽略了拉殼鉤和擊針，拉殼結構設置于彈底窩；有限元模型不考慮拋殼。為了劃分網格方便，忽略一些不重要的結構及倒角倒圓。

2遷移式自動機有限元模型的建立

2.1　幾何模型

在UG軟件中，刪除不參與計算的零部件和對結果影響很小的結構等，將模型導入到ABQUS/CAE中，模型如圖1所示。計算模型由槍管、彈殼、槍機、平衡配重塊、基座和左右側板(左側板已隱藏)等7部分組成。

圖1　遷移式自動機幾何模型

2.2　材料模型

槍管材料選用30CrNi2MoVA，這種材料經調質處理后，力學性能非常優(yōu)異，材料屈服極限超過835 MPa。為了方便計算，不考慮槍管鍍鉻，將槍管材料簡化成單一合金鋼。

9 mm手槍彈彈殼材料為覆銅鋼，國內的槍彈材料多為F18覆銅鋼[5]，屬于低碳鋼，其彈性模量為2.12e11 Pa，泊松比0.288，屈服應力為235 MPa。

由于槍機與平衡配重塊在運動時要進行復雜碰撞，要求強度較高，其材料選擇40Cr。彈性模量為2.11e11 Pa，泊松比為0.277，屈服應力為785 MPa。左右側板材料均選用40Cr，基座材料選用50鋼。

2.3　模型的載荷及邊界條件施加

將時間膛壓曲線數(shù)據(jù)轉存為Excel表格，使用ABAQUS自帶的插件工具，將表格數(shù)據(jù)導入ABAQUS中，其中第一列數(shù)據(jù)為時間，第二列數(shù)據(jù)為膛壓。將膛壓幅值以壓強載荷的形式施加于彈殼。

設置模型為自動接觸，定義接觸中的摩擦系數(shù)，使用軸向參考線段的方法設置平衡配重塊與基座之間的復進簧。在模型銷孔位置定義邊界條件為完全固定。

2.4　遷移式自動機有限元模型

彈膛采用C3D8R單元類型，其為8節(jié)點六面體減縮單元，共27 754個單元，其網格模型如圖2所示。彈殼與彈膛采用相同單元類型，共13 974個單元，其網格模型如圖3所示。

圖2　彈膛網格模型 圖3　彈殼網格模型

槍機與平衡配重塊的關重部位(如槍機前后導柱，平衡配重塊導槽導柱等)網格劃分采用C3D8R單元類型。其他部位對分析結果影響不大，為減少劃分網格的工作量使用自由網格類型，其網格類型為C3D4(4節(jié)點四面體單元)。其網格模型如圖4和圖5所示。

圖4　槍機網格模型 圖5　平衡配重塊網格模型

建立起的遷移式自動機有限元模型如圖6所示，共382 232個單元。

圖6　遷移式自動機有限元模型

3遷移式自動機有限元模型結果分析

3.1　彈殼彈膛系統(tǒng)有限元分析結果

對分析結果進行后處理可知，在發(fā)射過程中，槍管強度均在允許范圍內。為驗證抽殼的安全性，在彈殼頭部易變形部位1點處測量其應力(位置如彈殼網格圖3所示)，得出的其應力時間曲線如圖7所示。從圖7可知，應力峰值略大于9 mm手槍彈最大膛壓(200 MPa)，在膛壓峰值附近。手槍彈膛壓相對較小，因此本型沖鋒槍在高壓抽殼時，抽殼阻力并不大，射擊過程安全。

圖7　彈殼頭部應力時間曲線

在彈殼尾部2點處(位置如彈殼網格模型圖3所示)抽殼時最易發(fā)生橫向斷裂，其應力時間曲線如圖8所示。由圖8可知，最大應力為150 MPa，小于彈殼材料的屈服應力(235 MPa)，抽殼過程安全可靠。

圖8　彈殼尾部應力時間曲線

在彈殼尾部沿徑向方向位移時間曲線如圖9所示。由圖9可知，在抽殼過程中，彈殼尾部在火藥燃氣力的作用下，徑向的最大位移小于0.41 mm，變形量很小，發(fā)射過程中未出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象。這也間接地驗證了遷移式自動機的參數(shù)匹配合理，自動機動作安全可靠。

圖9　彈殼尾部徑向位移時間曲線

提取彈膛與彈殼在0.2,0.8,1.5和2.1 ms時刻的應力云圖，如圖10所示。從圖10可知，抽殼過程安全穩(wěn)定，槍管彈膛強度滿足發(fā)射要求，彈殼未發(fā)生斷殼、破裂等事故。

圖10　彈膛彈殼系統(tǒng)應力云圖

3.2　槍機有限元分析結果

對遷移式自動機有限元模型計算結果進行分析可知，槍機與平衡配重塊延遲開鎖斜面接觸的尾端面是應力集中的部位，應力值隨著膛內壓強的增大而增大。提取膛壓峰值附近0.1,0.2,0.3和0.4 ms的槍機應力云圖如圖11所示，從圖中可知槍機最大應力值在膛壓峰值附近，最大應力值為720 MPa。由于計算模型的限制，對槍機尾端導向柱和其連接槍機部位使用了不同的單元類型，以上得到的最大應力集中在網格混合部位，實際承力部位應力較小。綜上可知，在整個時間歷程中，槍機應力值均未超過40Cr材料的屈服極限，槍機強度滿足設計要求。

圖11　槍機應力云圖

3.3　平衡配重塊有限元分析結果

平衡配重塊的應力集中部位分布在延遲開鎖斜面和導向塊上，最大應力發(fā)生在0.2 ms左右，其應力云圖如圖12所示。如應力云圖所示，1點為平衡配重塊延遲開鎖斜面應力最大處，其應力時間曲線如圖13所示；2點為導向柱應力最大處，其應力時間歷程曲線如圖14所示。從圖13可知，1點延遲開鎖斜面處最大應力為585 MPa；從圖14可知，2點導向柱處的最大應力為550 MPa。1點與2點處的應力均小于屈服應力，未發(fā)生塑性變形，強度滿足設計要求。

圖12　2 ms時平衡配重塊應力云圖

圖13　平衡配重塊延遲開鎖斜面處應力時間曲線

圖14　平衡配重塊導向塊處應力時間曲線

3.4　側板有限元分析結果

通過對有限元分析結果進行后處理，提取出右側板在0.2，0.3，0.4和0.5 ms的應力云圖如圖15所示。結合分析結果，側板模型在整個發(fā)射階段時間歷程中，側板模型的所有部位的最大應力均未超過470 MPa，未發(fā)生塑性變形，強度滿足設計要求。

圖15　右側板應力云圖

4結論

根據(jù)上文遷移式自動機已完成的參數(shù)匹配，本章建立了包含彈殼彈膛系統(tǒng)、槍機平衡配重塊系統(tǒng)、機匣導槽系統(tǒng)的有限元模型。對彈膛和彈殼系統(tǒng)進行了分析，證明抽殼過程安全可靠。有限元分析計算結果表明：槍機、平衡配重塊、側板等重要部件強度滿足設計要求，遷移式自動機結構參數(shù)匹配結果合理。

參考文獻：

[1]袁點，王剛.微后坐自動武器的遷移式自動機虛 擬樣機研究[J].計算機仿真，2014(1):26-30.

[2]袁點，王剛.微后坐自動武器采用的遷移式自動機動力學分析[J].機械，2014(2):27-31.

[3]莊茁，由小川，廖劍輝.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京：清華大學出版社，2009：189-230.

[4]康艷祥，張以都，白邵鵬.自動武器抽殼過程仿真及抽殼力相關研究[J].計算機仿真，2007，24(3)：18-22.

[5]袁永立，何國求，張玉剛.F18覆銅鋼拉伸性能與顯微結構分析[J].金屬功能材料，2012，19(2)：47-54.

[6]周緒利，莫春華. 槍械不抽殼故障原因與結構設計關系分析及試驗驗證[J].四川兵工學報，2012(12):46-48.

[7]廖輝，王剛，張小石，等. 彈膛開槽對槍機運動規(guī)律影響的仿真分析[J].機械工程與自動化,2014(3):43-45.(責任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術】

中圖分類號：TJ22

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)12-0001-05

doi:10.11809/scbgxb2015.12.001

作者簡介：張克(1976—)，男，高級工程師，主要從事輕武器結構研究。

收稿日期：2015-05-27