某導(dǎo)氣式自動(dòng)武器導(dǎo)氣室壓力仿真

吳佳男，王文杰，譚繼宇

(中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所， 北京 102202)

自動(dòng)機(jī)在自動(dòng)武器中占有重要位置，它是自動(dòng)武器的核心組成部分，決定著自動(dòng)武器的火力性能以及主要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。導(dǎo)氣式自動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代自動(dòng)武器中應(yīng)用最廣，絕大部分都是采用身管側(cè)向排氣和活塞向后運(yùn)動(dòng)的形式。該類(lèi)自動(dòng)機(jī)可以通過(guò)改變導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而獲得大小不同的工作量，比如改變導(dǎo)氣孔直徑，導(dǎo)氣孔在身管上的位置，氣室初始容積，活塞與氣室間隙等。所以在步槍、機(jī)槍及小口徑自動(dòng)炮上應(yīng)用最廣[1]。

導(dǎo)氣室壓力是導(dǎo)氣式自動(dòng)武器動(dòng)力的來(lái)源，目前導(dǎo)氣室壓力采用布拉文經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算[2]，廣泛運(yùn)用在自動(dòng)步槍發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真中。布拉文經(jīng)驗(yàn)公式獲得的導(dǎo)氣式自動(dòng)武器導(dǎo)氣室壓力廣泛的應(yīng)用于自動(dòng)武器自動(dòng)機(jī)部件碰撞對(duì)步槍射擊精度的影響分析[3]、自動(dòng)武器彈性?huà)仛み^(guò)程分析[4]、導(dǎo)氣孔位置及直徑對(duì)自動(dòng)機(jī)速度影響分析[5]、活動(dòng)零部件動(dòng)力學(xué)特性和自動(dòng)機(jī)沖擊載荷分析[6]；陳龍淼進(jìn)行了一種彈丸高速擠進(jìn)過(guò)程動(dòng)態(tài)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及仿真分析研究[7]，孫全兆、陸野、樊黎霞[8-10]等對(duì)彈丸擠進(jìn)阻力進(jìn)行了一系列數(shù)值仿真研究，對(duì)不同結(jié)構(gòu)槍管、彈丸的擠進(jìn)阻力等進(jìn)行了仿真的定量分析。

Pumplinx軟件是美國(guó)Simerics公司開(kāi)發(fā)的計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件，同時(shí)可以考慮運(yùn)動(dòng)部件的響應(yīng)，模擬流體與剛體運(yùn)動(dòng)部件的相互作用[11]。

由于布拉文經(jīng)驗(yàn)公式的局限性，并未考慮導(dǎo)氣室的形狀、活塞與機(jī)框的運(yùn)動(dòng)，且對(duì)有泄氣孔的導(dǎo)氣室沒(méi)有考慮在內(nèi)。因此布拉文公式對(duì)結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則的導(dǎo)氣室預(yù)測(cè)精度較差，不能滿(mǎn)足現(xiàn)階段動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)輸入條件準(zhǔn)確度的要求。本研究針對(duì)某型號(hào)5.8 mm步槍自動(dòng)機(jī)一定時(shí)間內(nèi)后坐過(guò)程進(jìn)行仿真分析，模擬了該時(shí)間段內(nèi)燃?xì)獾牧鲃?dòng)，可以為動(dòng)力學(xué)仿真提出較為準(zhǔn)確的活塞聚氣面壓力曲線(xiàn)。研究結(jié)果對(duì)縮短輕武器研發(fā)周期具有重要意義。

1 物理與計(jì)算模型

1.1 基本假設(shè)

1) 不考慮彈丸擠進(jìn)及燃?xì)饬鲃?dòng)對(duì)槍管及導(dǎo)氣室的燒蝕；

2) 不考慮流動(dòng)中化學(xué)反應(yīng)的影響；

3) 不考慮熱輻射對(duì)壁面的傳熱；

4) 各運(yùn)動(dòng)部件均作剛體處理；

5) 忽略開(kāi)鎖過(guò)程中機(jī)框、機(jī)頭、機(jī)匣等零件間摩擦力的作用；

6) 彈簧內(nèi)耗忽略不計(jì)。

1.2 物理模型

導(dǎo)氣式自動(dòng)機(jī)工作原理：擊針打擊槍彈底火后，彈丸在火藥燃?xì)鈮毫ψ饔孟孪蚯斑\(yùn)動(dòng)；彈丸通過(guò)導(dǎo)氣孔后，一部分火藥燃?xì)庥蓪?dǎo)氣孔進(jìn)入氣室，推動(dòng)活塞桿及與活塞桿相關(guān)聯(lián)的原動(dòng)件(機(jī)框)向后運(yùn)動(dòng)，原動(dòng)件走完自由行程后，身管壓力逐漸下降，進(jìn)入安全開(kāi)鎖時(shí)期，機(jī)框帶動(dòng)機(jī)頭開(kāi)鎖。導(dǎo)氣式自動(dòng)機(jī)相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 導(dǎo)氣式自動(dòng)機(jī)相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.3.1計(jì)算區(qū)域

圖2為導(dǎo)氣室流場(chǎng)仿真計(jì)算區(qū)域，計(jì)算區(qū)域由槍管、彈丸、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)器座、活塞桿包圍形成的內(nèi)流場(chǎng)及外流場(chǎng)組成。其中，為了保證Pumplinx運(yùn)動(dòng)模塊功能實(shí)現(xiàn)活塞桿與調(diào)節(jié)器初始間隙設(shè)置為0.1 mm。

圖2 Pumplinx仿真計(jì)算區(qū)域

1.3.2邊界條件

1) 入口條件：膛底采用壓強(qiáng)入口邊界條件，通過(guò)內(nèi)彈道程序確定膛底壓力，燃?xì)鉁囟? 700 K。

2) 除流體力外作用在彈丸的其他力：輸入彈丸擠進(jìn)坡膛擠進(jìn)阻力，參考火炮壓力機(jī)將彈丸壓進(jìn)膛線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)得出的槍械彈丸的擠進(jìn)阻力曲線(xiàn)。圖3所示為彈丸擠進(jìn)阻力曲線(xiàn)，橫坐標(biāo)代表彈丸行程，縱坐標(biāo)代表壓進(jìn)不同距離所施加的壓力，當(dāng)彈丸整個(gè)圓柱面全部擠進(jìn)膛線(xiàn)擠進(jìn)壓力趨于穩(wěn)定。

圖3 彈丸擠進(jìn)阻力曲線(xiàn)

3) 出口條件：出口壓力設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.101 325 MPa，溫度300 K。

4) 彈丸、活塞桿運(yùn)動(dòng)邊界：賦予對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)邊界Valve、Valve end、Cylinder邊界條件。

1.3.3自動(dòng)機(jī)關(guān)聯(lián)零件剛體運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化

本研究模擬的時(shí)間段為，從活塞桿開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到活塞桿撞擊到節(jié)套活塞桿限位面處，在此過(guò)程中活塞桿與機(jī)框、機(jī)框與緩沖器并未發(fā)生碰撞分離情況，因此可以把活塞桿、機(jī)框和緩沖器簡(jiǎn)化為一個(gè)剛體；同時(shí)由于忽略了開(kāi)鎖過(guò)程中的摩擦阻力，開(kāi)鎖結(jié)束后，機(jī)框帶動(dòng)質(zhì)量增加。因此，給剛體賦予一個(gè)隨位移變化的質(zhì)量，在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，提高計(jì)算效率。

1.3.4網(wǎng)格劃分

根據(jù)Pumplinx的計(jì)算模式，分別對(duì)進(jìn)口區(qū)域、彈丸前、彈丸、彈丸后、膛口外流場(chǎng)、導(dǎo)氣孔、導(dǎo)氣室固定流場(chǎng)區(qū)域、導(dǎo)氣室運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)區(qū)域、活塞桿出口流場(chǎng)區(qū)域劃分網(wǎng)格，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格模型

2 仿真結(jié)果

2.1 彈丸運(yùn)動(dòng)分析

仿真結(jié)果與內(nèi)彈道彈丸速度曲線(xiàn)如圖5所示。仿真計(jì)算中，彈丸0.9 ms出膛口，初速852 m/s;內(nèi)彈道彈丸0.954 ms出膛口，初速846 m/s。對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)：仿真結(jié)果彈丸速度曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)趨勢(shì)一致，仿真計(jì)算中彈丸速度較快，比內(nèi)彈道計(jì)算中提前出膛口。仿真誤差在可控范圍內(nèi)，仿真誤差來(lái)源可能是由于槍彈在膛內(nèi)摩擦阻力較大緣故造成，摩擦阻力需要進(jìn)一步通過(guò)壓力機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。初速與內(nèi)彈道對(duì)比誤差為0.7%，出膛口時(shí)間與內(nèi)彈道對(duì)比誤差為5.7%，有力的說(shuō)明了該仿真模型是可靠的、可信的，可以用于彈丸運(yùn)動(dòng)及膛內(nèi)流場(chǎng)仿真分析。

圖5 彈丸速度曲線(xiàn)

2.2 擠進(jìn)阻力影響分析

分別進(jìn)行考慮擠進(jìn)阻力及忽略擠進(jìn)阻力兩種情況的仿真分析。兩種情況下壓力進(jìn)口條件都采用內(nèi)彈道膛底壓力曲線(xiàn)，考慮擠進(jìn)阻力的仿真輸入條件需要在建模過(guò)程中輸入彈丸擠進(jìn)阻力曲線(xiàn)。由圖6可得：考慮擠進(jìn)阻力的彈丸速度曲線(xiàn)與內(nèi)彈道速度曲線(xiàn)一致性較好；在內(nèi)彈道彈丸擠進(jìn)坡膛時(shí)期，若忽略擠進(jìn)阻力，彈丸加速度、速度不符合實(shí)際情況；考慮擠進(jìn)阻力的仿真結(jié)果與內(nèi)彈道結(jié)果依然存在一定的誤差，分析誤差來(lái)源可能是擠進(jìn)阻力曲線(xiàn)有一定的誤差造成的，由于槍管、彈丸在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)方面的多變性，采用通用的擠進(jìn)阻力曲線(xiàn)會(huì)存在一定的誤差，需要通過(guò)壓力機(jī)試驗(yàn)來(lái)確定擠進(jìn)阻力。考慮擠進(jìn)阻力可以極大地提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖6 擠進(jìn)阻力對(duì)彈丸速度影響

2.3 活塞桿速度分析

通過(guò)激光測(cè)速儀測(cè)量活塞桿及機(jī)框速度曲線(xiàn)，在活塞桿未到達(dá)限位面時(shí)，活塞桿與機(jī)框速度一致，證明了活塞桿與機(jī)框未發(fā)生碰撞分離情況，自動(dòng)機(jī)試驗(yàn)速度曲線(xiàn)如圖7所示。因此在Pumplinx運(yùn)動(dòng)機(jī)械流體力學(xué)仿真中，可以將速度一致且不影響流場(chǎng)分布的零件作為一個(gè)剛體進(jìn)行建模。

圖7 自動(dòng)機(jī)速度曲線(xiàn)

自動(dòng)機(jī)速度曲線(xiàn)對(duì)比中，試驗(yàn)曲線(xiàn)的選取采用槍械首發(fā)自動(dòng)機(jī)速度曲線(xiàn)。觀察圖7可發(fā)現(xiàn)：仿真曲線(xiàn)中活塞桿經(jīng)過(guò)3.33 ms到達(dá)限位面，試驗(yàn)曲線(xiàn)中活塞桿經(jīng)過(guò)4.742 ms到達(dá)限位面；仿真曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)前期誤差較小，后期有較大誤差。推斷前期誤差較小的原因是自動(dòng)機(jī)處于自由行程，自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)阻力較小；自由行程結(jié)束后，進(jìn)入開(kāi)鎖階段，而開(kāi)鎖階段自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)阻力并沒(méi)有考慮在內(nèi)，造成了開(kāi)鎖階段自動(dòng)機(jī)速度曲線(xiàn)誤差較大。本文的仿真方法研究主要是為槍械動(dòng)力特性研究提供輸入活塞聚氣面壓力曲線(xiàn)，而自動(dòng)機(jī)開(kāi)鎖時(shí)期的速度對(duì)導(dǎo)氣室內(nèi)壓力沒(méi)有明顯的影響，因此本文的活塞聚氣面壓力曲線(xiàn)作為動(dòng)力學(xué)軟件的輸入條件是可信的?；钊蹥饷鎵毫η€(xiàn)如圖8所示。

圖8 活塞聚氣面壓力曲線(xiàn)

3 結(jié)論

1) 彈丸擠進(jìn)坡膛的擠進(jìn)阻力對(duì)彈丸速度影響較大，考慮擠進(jìn)阻力可以有效提高仿真結(jié)果準(zhǔn)確性。

2) 活塞桿及與機(jī)框后坐相關(guān)聯(lián)零件簡(jiǎn)化建模方法在活塞桿與機(jī)框尚未分離情況下是可行的。

3) 自動(dòng)機(jī)開(kāi)鎖階段的開(kāi)鎖阻力對(duì)自動(dòng)機(jī)速度影響較大。

4) 活塞聚氣面壓力曲線(xiàn)作為槍械動(dòng)力特性仿真研究的輸入條件是可信的。