某步槍“冷熱偏”分析與研究*

蔡翹楚，楊 臻，侯文偉，藍(lán)維彬，龍建華

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051；2.重慶建設(shè)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶400054）

0 引言

突擊步槍是一種射速較高、射擊穩(wěn)定的輕武器裝備，世界各國一直致力于研究如何提高這種武器的射擊精度。而想要提高這種槍械的設(shè)計精度首先要解決步槍的冷熱偏問題。在步槍的射擊試驗(yàn)中，通常會發(fā)現(xiàn)，在最開始進(jìn)行試驗(yàn)時，步槍槍管溫度接近室溫，射彈點(diǎn)會分布在散布中心附近的一定區(qū)域內(nèi)，而在射彈數(shù)量增加時，槍管溫度有所提升，射彈散布中心會發(fā)生偏移，即發(fā)生槍械的冷熱偏現(xiàn)象。槍械的冷熱偏現(xiàn)象對槍械在戰(zhàn)爭中完成任務(wù)的能力將會產(chǎn)生較大的影響，這直接降低了步槍的射擊準(zhǔn)確度。而隨著全球槍械的輕量化發(fā)展，冷熱偏問題越發(fā)明顯，急需展開深入研究。

針對這一現(xiàn)象，美國陸軍彈道研究所針于20世紀(jì)90年代對5.56 mm突擊步槍冷熱偏問題進(jìn)行了試驗(yàn)和機(jī)理研究，建立了數(shù)值仿真模型并進(jìn)行了槍械冷熱偏試驗(yàn)。俄羅斯精密機(jī)械研究所也研究了槍族冷熱偏機(jī)理及其計算模型。

國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，目前，國內(nèi)所進(jìn)行的鋼材因溫度變化引起的機(jī)械性能差異的研究，主要是針對其他行業(yè)，而針對輕武器領(lǐng)域的研究較少［1］。在身管方面，趙金輝等人利用非線性熱力學(xué)理論對某火炮進(jìn)行研究，得出了該種火炮身管在發(fā)射不同數(shù)量炮彈后的彎曲變形量和溫度場［2-3］。在槍/彈相互作用方面，劉國慶，徐誠等對某狙擊步槍準(zhǔn)靜態(tài)彈頭擠進(jìn)過程進(jìn)行了研究，通過對彈丸的結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈丸材料、槍/彈的配合誤差與彈/槍參數(shù)匹配對彈丸擠進(jìn)過程的影響研究，分析了以上參數(shù)對彈丸被甲所刻痕處、非刻痕處所受應(yīng)力、彈丸在擠進(jìn)過程中的軸向、縱向擺動角、膛內(nèi)火藥燃?xì)鈮毫蜆尮芩軕?yīng)力、溫度等的影響規(guī)律；在彈丸擠進(jìn)方面，安俊斌等人對某機(jī)槍進(jìn)行了試驗(yàn)以及仿真計算，深入研究了該機(jī)槍彈丸擠進(jìn)的過程，分析了彈丸在擠進(jìn)的過程中的擺動情況［6］。

上述研究只是對單一因素進(jìn)行分析研究，并沒有系統(tǒng)地研究溫度對于小口徑步槍的冷熱偏現(xiàn)象。因此，本文以某小口徑步槍作為研究對象，通過ABAQUS軟件進(jìn)行有限元仿真分析，并與步槍的冷熱偏實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，深入研究該步槍在不同溫度的情況下造成冷熱偏的原因，為提高步槍射擊精度提供一定的參考。

1 步槍冷熱偏實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

對100 m靶進(jìn)行射擊，冷熱槍彈著點(diǎn)分布如圖1～圖2，分別測出冷槍和熱槍的彈著點(diǎn)偏差如表1所示。

圖1 冷槍彈著點(diǎn)分布

1.2 結(jié)果分析與討論

通過對某小口徑步槍進(jìn)行冷熱偏試驗(yàn)可以看出，熱槍射擊較冷槍射擊的散布中心點(diǎn)有所偏移，槍管溫度的升高對步槍射擊準(zhǔn)確度有較大影響，初步推測造成的結(jié)果如下：

圖2 熱搶彈著點(diǎn)分布

表1 試驗(yàn)彈著點(diǎn)偏差（cm）

槍管溫度升高導(dǎo)致彈丸擠進(jìn)壓力減小，而擠進(jìn)壓力的大小決定整個內(nèi)彈道過程，進(jìn)而影響彈丸的膛口初速。彈丸的初速越低，地球引力對彈丸的作用效果就越明顯，這使得彈丸飛行穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致彈著點(diǎn)偏移量增大。

針對這一情況，下文將對溫度因素與擠進(jìn)壓力的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 步槍溫升過程分析

2.1 槍管溫升過程仿真分析

本節(jié)以某小口徑步槍身管作為研究對象，建立身管有限元模型如圖3所示。

圖3 溫度場分析模型

通過文獻(xiàn)［7-9］中溫度場計算公式，可以求出火藥燃?xì)鉁囟扰c強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)、自然對流換熱系數(shù)。

槍管材料機(jī)械性能參數(shù)將隨溫度的變化而發(fā)生改變。身管材料機(jī)械性能參數(shù)如下頁表2所示。

仿真過程根據(jù)射擊規(guī)則，按不同時間間隔將身管的火藥燃?xì)鉁囟群蛯α鞣艧嵯禂?shù)循環(huán)加載到身管膛內(nèi)和內(nèi)外壁上，循環(huán)仿真計算。

如圖4所示，由于火藥燃?xì)鈱α鞣艧嵯禂?shù)在彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動的各個時刻的值是在不斷變化的，所以在彈丸發(fā)射的過程中，槍管內(nèi)膛各處的溫度是不同的。

表2 身管材料機(jī)械性能參數(shù)

圖5為某小口徑步槍在射彈150發(fā)后槍管外壁沿軸向溫度的最大值，可以看出處于連發(fā)射擊狀態(tài)的槍管外壁溫度上升較快，而單發(fā)射擊后槍管外壁溫度只有略微上升。

圖6為刺刀座附近槍管外壁溫度。

圖4 內(nèi)壁沿軸向溫度最大值

圖5 外壁沿軸向溫度最大值

2.2 仿真模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上節(jié)仿真結(jié)果的可信性，本次溫升試驗(yàn)將對該小口徑步槍射擊150發(fā)時的槍管外表面進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)儀器為紅外熱成像儀。

圖6 射彈150發(fā)槍管溫度場

本次實(shí)驗(yàn)研究對象為兩支某小口徑實(shí)驗(yàn)槍，射擊時將步槍夾持在實(shí)驗(yàn)臺上，對100 m靶進(jìn)行試驗(yàn)射擊。

射擊規(guī)則：試驗(yàn)過程均使用試驗(yàn)彈進(jìn)行射擊。首先，在冷槍狀態(tài)下進(jìn)行20發(fā)單發(fā)射擊；然后進(jìn)行150發(fā)的無冷卻連發(fā)射擊；最后在熱搶狀態(tài)下再進(jìn)行一組20發(fā)單發(fā)射擊。圖7為測量得出兩支試驗(yàn)槍不同射彈數(shù)槍管外壁對應(yīng)的溫度變化，圖8為射彈150發(fā)后槍管外表面溫度分布紅外圖。

圖7 外壁溫度的變化

圖8 槍管紅外測溫圖

通過兩次實(shí)驗(yàn)得出射彈試驗(yàn)結(jié)束后槍管外壁最高溫度分別為331.56℃和386.31℃，仿真計算結(jié)果為376℃，仿真結(jié)果在實(shí)測值范圍內(nèi)，這說明仿真得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與試驗(yàn)所得的基本一致。

3 熱偏因素分析

3.1 槍管熱彎曲影響分析

在不同的環(huán)境溫度下，槍管內(nèi)部的溫度場分布情況有所不同，槍管材料的屈服強(qiáng)度，彈性模量等機(jī)械性能參數(shù)均發(fā)生改變，這使得槍管材料較常溫條件下更容易產(chǎn)生變形，加上槍管自重等外力的影響，槍管更容易發(fā)生彎曲變形。

在進(jìn)行仿真計算時，首先將槍管在冷槍狀態(tài)下進(jìn)行仿真分析，得出槍管在射擊后的彎曲量，再將身管在射擊150發(fā)后的溫度施加在仿真模型上，重新計算，得出槍管在熱槍狀態(tài)下的變形量。表3為身管沿軸線的彎曲量，圖9為身管的熱彎曲云圖。

表3 身管沿軸線彎曲量

圖9 身管熱彎曲云圖

根據(jù)仿真結(jié)果可知，槍管溫度越高，其材料力學(xué)性能參數(shù)變化越大，在同樣程度的外載荷作用情況下，熱槍狀態(tài)下槍管的彎曲變形量較冷槍狀態(tài)下的更大。

3.2 彈丸擠進(jìn)過程分析計算

對于槍械來說，彈丸在發(fā)射藥產(chǎn)生的火藥燃?xì)獾淖饔孟孪蚯斑\(yùn)動，彈帶產(chǎn)生塑性變形而擠入膛線的過程是十分復(fù)雜的。而隨著槍械射彈數(shù)量的增加，槍管內(nèi)膛的溫度也隨之上升，槍管和彈丸被甲材料的力學(xué)性能參數(shù)也隨著溫度的升高而不斷改變，這導(dǎo)致了槍/彈相互作用情況隨著溫度的改變而改變。本節(jié)主要分析溫度的變化對擠進(jìn)的影響。

3.2.1擠進(jìn)模型的建立

對于彈丸擠進(jìn)問題的研究，主要研究對象為銅被甲彈丸和槍管。為了保證精度，網(wǎng)格類型采用8節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元C3D8R，網(wǎng)格大小控制在0.1 mm～2 mm之間。有限元分析模型如圖10所示。

圖10 擠進(jìn)模型的網(wǎng)格劃分

為了計算不同溫度下彈丸在擠進(jìn)膛線時的擠進(jìn)壓力，將彈丸擠進(jìn)過程作為研究對象，選取在彈丸擠進(jìn)過程中對彈丸變形產(chǎn)生作用最明顯的一節(jié)槍管進(jìn)行仿真計算。

其中彈丸使用覆銅鋼被甲彈丸，中間套有鉛套，彈丸最里層為鋼芯。彈丸相關(guān)結(jié)構(gòu)的材料機(jī)械性能參數(shù)如表4所示。

表4 彈丸材料機(jī)械性能參數(shù)

3.2.2擠進(jìn)過程槍管受力分析

彈丸擠進(jìn)過程中，槍管坡膛導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)對彈頭產(chǎn)生作用力，即擠進(jìn)阻力Fz。擠進(jìn)阻力Fz由坡膛阻力F1，陰線阻力F2和導(dǎo)轉(zhuǎn)阻力F33個力的合力構(gòu)成。

式中，б1、1，б2、2和б3、3分別表示在接觸面上產(chǎn)生的接觸應(yīng)力分，μ表示法向應(yīng)力和切向應(yīng)力的通過摩擦系數(shù)。

圖11 擠進(jìn)過程受力分析

擠進(jìn)過程彈頭受力分析如圖11所示，其中，η表示纏角，α表示坡膛角，β表示導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)角度。由此可得沿彈軸方向的擠進(jìn)阻力分別為

3.2.3彈丸擠進(jìn)過程仿真計算

為了更深入地了解研究槍管內(nèi)膛溫度對彈丸所受擠進(jìn)力的影響，本節(jié)以某小口徑步槍槍管內(nèi)膛作為研究對象，主要研究在冷槍和熱搶狀態(tài)下槍管坡膛處的應(yīng)力分布情況，從而得到溫度的變化對彈丸擠進(jìn)阻力的影響。

圖12 坡膛某處表面應(yīng)力曲線

圖13 冷槍狀態(tài)下坡膛處表面應(yīng)力云圖

圖14 熱槍狀態(tài)下坡膛處表面應(yīng)力云圖

由圖12～圖14可知，由于彈丸在擠進(jìn)時需要嵌入膛線從而使彈丸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，這個過程是在坡膛陽線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的作用下完成的，坡膛陽線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)處直接致使彈丸被甲發(fā)生塑性變形，其所受到的應(yīng)力會更大；溫度的改變會導(dǎo)致材料的機(jī)械性能參數(shù)發(fā)生變化，因此，冷槍射擊時的槍管內(nèi)膛各處應(yīng)力較熱槍射擊時的更大。由于擠進(jìn)的過程是彈丸被甲鑲嵌進(jìn)槍管膛線的過程，因此，可以近似地將槍管所受彈丸的作用力看做彈丸所受的擠進(jìn)阻力。根據(jù)公式，槍管所受彈丸的作用力可以看作是槍管內(nèi)壁各處所受力的合力，從而得到如圖15所示曲線。

由圖15彈丸的擠進(jìn)阻力曲線可知，彈丸在冷槍狀態(tài)下和熱槍狀態(tài)下所受的擠進(jìn)阻力相差較大，冷槍狀態(tài)下射擊時彈丸所受的擠進(jìn)阻力大于熱槍狀態(tài)下射擊彈丸所受的擠進(jìn)阻力。由于擠進(jìn)過程時間很短，擠進(jìn)加速度可忽略不計，則將擠進(jìn)阻力與槍膛橫截面積的比值視為彈丸完全擠進(jìn)的瞬間槍膛內(nèi)的火藥壓力，即擠進(jìn)壓力。

圖15 彈丸的擠進(jìn)阻力曲線

根據(jù)上述擠進(jìn)過程分析可知：槍管在熱槍狀態(tài)下的擠進(jìn)力較冷槍時的小。這是因?yàn)闊針尃顟B(tài)下槍管溫度升高，材料的機(jī)械性能參數(shù)發(fā)生改變，屈服強(qiáng)度等參數(shù)減小，這使得彈丸和槍管內(nèi)膛接觸壓力變小，擠進(jìn)阻力更小。

3.3 彈丸在槍膛內(nèi)運(yùn)動過程分析

假設(shè)彈丸在擠進(jìn)的過程中槍管是固定的，不發(fā)生機(jī)械振動，雖然彈丸結(jié)構(gòu)是對稱的，但是由于彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動的過程中，槍管內(nèi)膛各處對彈丸被甲的作用力是不均勻的，并且彈丸還受到自身的重力和彈前空氣阻力等的作用，彈丸不會完全平穩(wěn)地擠進(jìn)。經(jīng)過仿真計算，分別取冷槍狀態(tài)下和熱槍狀態(tài)下彈丸頭部頂端橫向位移繪制彈丸擺動情況如圖16～圖17所示。

圖16 冷槍彈丸頂端x方向位移

圖17 熱槍彈丸頂端x方向位移

從上圖中可以看出，冷槍狀態(tài)下彈丸能更平穩(wěn)地擠進(jìn)膛線。這是因?yàn)槔錁尃顟B(tài)下槍管的溫度與熱槍狀態(tài)下槍管的溫度相差較大，材料的屈服強(qiáng)度、彈性模量等機(jī)械性能參數(shù)發(fā)生變化，彈丸與槍管之間的作用力減小，這使得彈丸在擠進(jìn)過程中受力更加不均勻，而擺動更加明顯；同時由3.1節(jié)的分析，冷槍狀態(tài)下槍管的變形量較熱槍狀態(tài)下槍管的彎曲變形量小，槍管的熱彎曲變形會對彈丸擠進(jìn)膛線的過程產(chǎn)生較大影響。這使得在冷槍和熱槍狀態(tài)下槍/彈之間的相互作用不同，從而使彈丸在出膛口時姿態(tài)差異較大。

4 結(jié)論

本文以某小口徑步槍為研究對象，進(jìn)行了熱偏試驗(yàn)，同時建立有限元分析模型，通過仿真分析來探究步槍產(chǎn)生冷熱偏的原因，分析結(jié)果表明：由于槍管溫度升高，導(dǎo)致了擠進(jìn)過程中，彈丸在冷熱槍狀態(tài)下的擠進(jìn)壓力出現(xiàn)較大差異；同時槍管的熱彎曲變形對彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動過程也有較大影響。該研究可為優(yōu)化槍管結(jié)構(gòu)，選擇槍管材料，合理分配射速，安排射擊間隔時間，進(jìn)而為提高射擊精度提供理論參考依據(jù)。