基于數(shù)值仿真的伸縮狼牙警棍抗沖擊性能分析＊

崔瑩

（武警工程大學(xué)裝備管理與保障學(xué)院，陜西 西安 710086）

1 研究背景

警棍是武警部隊(duì)和公安系統(tǒng)常規(guī)裝備，其使用廣泛，具有一定威懾和打擊作用，既可有效制止暴力行為，也可用來(lái)?yè)踝o(hù)、防砍、防棍擊等自我防衛(wèi)。目前使用最為廣泛的橡膠警棍性能單一，使用效果不甚理想，且不能滿(mǎn)足不同場(chǎng)合下差異化攻擊效果的需求。

針對(duì)現(xiàn)有警棍威力不足等問(wèn)題，根據(jù)一線人員執(zhí)行不同任務(wù)的實(shí)戰(zhàn)需求，經(jīng)反復(fù)論證，針對(duì)警棍攻擊威力要求不一的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可伸縮式的狼牙警棍，可大幅提升警棍的適度打擊效果。設(shè)計(jì)完成后的外觀示意圖如圖1所示，其結(jié)構(gòu)剖視圖如圖2所示，主要由棍體、連桿、鋼刺、端部螺帽、銷(xiāo)釘、圓環(huán)等組成，鋼刺與連桿通過(guò)銷(xiāo)釘連接，使用時(shí)旋轉(zhuǎn)端部螺帽可實(shí)現(xiàn)鋼刺從棍體內(nèi)伸出或收回。

圖1 狼牙警棍外觀示意圖

圖2 狼牙警棍剖視圖

根據(jù)GA 886—2010《公安單警裝備 警用伸縮警棍》[2]要求，警棍應(yīng)具備良好的抗沖擊性能，沖擊性能測(cè)試一般通過(guò)落錘試驗(yàn)進(jìn)行分析，為提高試驗(yàn)效率，促進(jìn)棍體設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真。

歷史文獻(xiàn)中通過(guò)數(shù)值仿真軟件對(duì)不同設(shè)備的沖擊分析研究較多。王海濤等[3]采用軟件Ansys對(duì)某升降裝置船用平臺(tái)進(jìn)行抗沖擊動(dòng)力學(xué)分析，得到?jīng)_擊響應(yīng)下的位移及應(yīng)力，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)可靠性。董飛飛等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真分析對(duì)埋地長(zhǎng)輸管道在沖擊載荷作用下的參數(shù)進(jìn)行分析，其參數(shù)主要包括管道的振動(dòng)加速度、應(yīng)變等。謝新宇等[5]對(duì)Ti/CFRP層合板進(jìn)行沖擊分析，通過(guò)軟件ABAQUS對(duì)復(fù)合材料鋪角、鈦板等參數(shù)與層合板的損傷建立關(guān)系。夏芊文[6]通過(guò)理論、數(shù)值及實(shí)驗(yàn)三種方法得到了各個(gè)參數(shù)對(duì)H型鋼柱動(dòng)力沖擊響應(yīng)的影響。目前尚未有相關(guān)學(xué)者針對(duì)警棍的抗沖擊性能進(jìn)行研究。

本文擬采用軟件Ansys Workbench對(duì)狼牙警棍抗沖擊性能仿真，得到棍體及鋼刺的應(yīng)力及變形。同時(shí)，引入評(píng)判鋼刺強(qiáng)度及警棍攻擊力的2個(gè)參量，針對(duì)鋼刺的材質(zhì)及長(zhǎng)度進(jìn)行靈敏度分析，并對(duì)兩種不同擊打方式對(duì)比仿真，進(jìn)而指導(dǎo)警棍抗沖擊性能設(shè)計(jì)。

2 有限元模型建立

2.1 模型簡(jiǎn)化

在開(kāi)展有限元分析時(shí)，為了提高計(jì)算效率，一般需對(duì)所分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。狼牙警棍內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若將銷(xiāo)釘全部建模分析，則鋼刺與連桿鉸接處存在大量摩擦。同時(shí)，本文研究重點(diǎn)為鋼刺的強(qiáng)度，因此可將銷(xiāo)釘省略簡(jiǎn)化。建模中忽略不必要的螺紋、倒角及孔等。在不失一般性的情況下，同時(shí)為了降低計(jì)算難度，所有仿真中均采用鋼板作為擊打目標(biāo)。簡(jiǎn)化后的模型如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化后的模型示意圖

2.2 模型建立

2.2.1 網(wǎng)格劃分與接觸設(shè)置

警棍所有部件及鋼板均采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其單元類(lèi)型為8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID164，該單元經(jīng)常被用于三維的顯式結(jié)構(gòu)實(shí)體分析。警棍棍體及鋼刺均采用6061-T6鋁合金，鋼板選用304鋼。網(wǎng)格劃分完成后對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)格加密一倍，發(fā)現(xiàn)最終仿真結(jié)果不超過(guò)2%，可證明網(wǎng)格劃分的合理性。劃分完成后的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分后結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 邊界條件加載

為了能模擬警棍沖擊時(shí)的響應(yīng)，計(jì)算時(shí)對(duì)警棍施加向下的初速度，使其撞擊鋼板。根據(jù)GA 886—2010中對(duì)沖擊試驗(yàn)的描述，其初始速度為5 m/s。由于碰撞時(shí)間非常短，計(jì)算時(shí)假定為10-5s。各鋼刺與棍體均設(shè)置為無(wú)摩擦接觸，鋼刺與連桿設(shè)置為鉸連接，鋼板底面采用固定全約束。撞擊時(shí)首先考慮單排鋼刺撞擊鋼板。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

求解時(shí)采用顯式動(dòng)力學(xué)分析（Explicit Dynamics）。仿真后的整體應(yīng)力云圖如圖5所示，從圖中可以看到，鋼刺與鋼板在撞擊位置處應(yīng)力最大，并且鋼刺對(duì)棍體及與鋼刺鉸接位置處均產(chǎn)生一定的沖擊壓力，分別對(duì)棍體、連桿及銷(xiāo)釘產(chǎn)生沖擊變形，因此在警棍棍體及連桿設(shè)計(jì)時(shí)需考慮該位置的強(qiáng)度。鋼刺上的應(yīng)力分布放大云圖如圖6所示，可以看到從前端撞擊點(diǎn)到銷(xiāo)釘連接處，應(yīng)力呈逐漸減小趨勢(shì)。鋼板撞擊點(diǎn)放大云圖如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)鋼板與鋼刺撞擊中心點(diǎn)處應(yīng)力最大，并且應(yīng)力呈中心放射狀分布。

圖5 撞擊后警棍與地面應(yīng)力云圖

圖6 鋼刺應(yīng)力云圖

圖7 鋼板局部應(yīng)力云圖

3 鋼刺參數(shù)靈敏度仿真分析

鋼刺是狼牙警棍攻擊力體現(xiàn)的關(guān)鍵部件。鋼刺設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮材料及長(zhǎng)度2個(gè)參數(shù)。為了能更好對(duì)比不同參數(shù)下的警棍的攻擊能力與強(qiáng)度，引入兩個(gè)參量：碰撞后鋼板在撞擊點(diǎn)處的最大Mises應(yīng)力σ1、鋼刺上的最大Mises應(yīng)力σ2。σ1值越大，說(shuō)明警棍的攻擊力越大。安全系數(shù)n=σs/σ2值越大，其比屈服強(qiáng)度σs越小，說(shuō)明鋼刺強(qiáng)度越高。

3.1 不同材料鋼刺仿真分析

本節(jié)主要針對(duì)制作鋼刺的常見(jiàn)材料進(jìn)行仿真分析，鋼刺的長(zhǎng)度L=11 mm，不同鋼刺材料屬性如表1所示。

表1 不同鋼刺材料屬性表

304鋼材質(zhì)鋼刺警棍沖擊應(yīng)力云圖如圖8所示，TC4材質(zhì)所制鋼刺警棍沖擊應(yīng)力云圖如圖9所示，對(duì)比6061-T6材質(zhì)鋼刺云圖可以看到，三種材質(zhì)的鋼刺在沖擊下應(yīng)力云圖類(lèi)似，但其應(yīng)力值差異較大。

圖8 304鋼材質(zhì)鋼刺警棍沖擊應(yīng)力云圖

圖9 TC4材質(zhì)鋼刺警棍沖擊應(yīng)力云圖

提取3種材料對(duì)應(yīng)的σ1、σ2、σs/σ2，如表2所示，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，304材料的鋼刺在撞擊下應(yīng)力σ2已超過(guò)其屈服極限，發(fā)生破壞。而TC4所制成的鋼刺攻擊力最大，并且安全系數(shù)n高于其余兩種材料，比較適合作為鋼刺材料。

表2 不同材料的鋼刺參量值表

3.2 不同長(zhǎng)度的鋼刺仿真分析

本節(jié)主要針對(duì)同一材料下的不同長(zhǎng)度L的鋼刺進(jìn)行沖擊仿真分析。計(jì)算時(shí)，L值選取范圍為8～13 mm，每間隔0.5 mm取一計(jì)算點(diǎn)，共計(jì)11個(gè)點(diǎn)。為了保證不同長(zhǎng)度的鋼刺仿真結(jié)果具有可對(duì)比性，鋼刺材料均選用6061-T6。

σ1隨鋼刺長(zhǎng)度L變化曲線如圖10所示，σ2隨鋼刺長(zhǎng)度L變化曲線如圖11所示，從兩圖中可以看到，不同長(zhǎng)度的鋼刺上的應(yīng)力差異較大，在總體趨勢(shì)上應(yīng)力σ1隨L先增大后減小，并且在L=11 mm處取得最大值，但在該點(diǎn)的σ2值也較大。因此，建議在后續(xù)警棍設(shè)計(jì)中，在不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度σs的前提下，為了提高警棍攻擊力，在一定范圍內(nèi)可盡量增大鋼刺的長(zhǎng)度。

圖10 σ1隨鋼刺長(zhǎng)度L變化曲線

圖11 σ2隨鋼刺長(zhǎng)度L變化曲線

4 雙排鋼刺撞擊鋼板仿真分析

在揮動(dòng)警棍擊打目標(biāo)時(shí)，通常有兩種可能性：一種為單排鋼刺撞擊目標(biāo)，如圖12所示；另一種為雙排鋼刺撞擊目標(biāo)，如圖13所示。針對(duì)雙排鋼刺撞擊鋼板時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行分析，對(duì)比單排與雙排擊打目標(biāo)的作用效果。

圖12 單排鋼刺撞擊示意圖

圖13 雙排鋼刺撞擊示意圖

雙排與單排鋼刺撞擊建模類(lèi)似，不同點(diǎn)為單排鋼刺與鋼板撞擊時(shí)為7個(gè)接觸點(diǎn)，而雙排共計(jì)14個(gè)接觸點(diǎn)。仿真時(shí)對(duì)鋼板地面進(jìn)行約束，警棍施加大小為5 m/s的初速度撞擊鋼板，撞擊時(shí)間為10-5s。警棍所有材質(zhì)均選用6061-T4，鋼刺長(zhǎng)度L=11 mm。網(wǎng)格單元類(lèi)型采用與單排相同。建模完成后的網(wǎng)格如圖14所示。

圖14 雙排鋼刺撞擊網(wǎng)格示意圖

為了更好地觀察鋼刺受力變形情況，應(yīng)力云圖中將棍體隱藏，如圖15所示，可以看到雙排鋼刺撞擊最大應(yīng)力值為185.45 MPa，并且發(fā)生于鋼刺前端。

圖15 連桿及鋼刺應(yīng)力分布云圖

提取鋼板撞擊點(diǎn)處的最大Mises應(yīng)力σ1、鋼刺上的最大Mises應(yīng)力σ2，具體如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)雙排鋼刺撞擊時(shí)的σ2較單排下降31.3%，而σ1較單排提高了45.6%。因此在面對(duì)普通目標(biāo)時(shí)使用雙排擊打，不僅可以降低針刺撞機(jī)強(qiáng)度，還可有效提高警棍使用壽命。在擊打危險(xiǎn)目標(biāo)時(shí)，可盡量采用單排鋼刺擊打以獲得最大攻擊力。

表3 單排與雙排鋼刺撞擊應(yīng)力表

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)不同任務(wù)需要可進(jìn)行攻擊力調(diào)整的新型伸縮狼牙警棍。對(duì)警棍的抗沖擊能力這一重要性能指標(biāo)，通過(guò)建立模型開(kāi)展一系列仿真分析，得到以下結(jié)論：①單排鋼刺擊打目標(biāo)時(shí)鋼刺前端應(yīng)力最大，目標(biāo)撞擊點(diǎn)處應(yīng)力呈中心放射狀減小，并且棍體、連桿等位置處均會(huì)產(chǎn)生沖擊變形；②TC4材料所制狼牙警棍鋼刺具有更高的攻擊力及更長(zhǎng)的使用壽命；③在不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，為獲得更高的攻擊力可盡量增大鋼刺長(zhǎng)度；④面對(duì)普通目標(biāo)時(shí)使用雙排鋼刺擊打目標(biāo)以提高警棍壽命，在擊打危險(xiǎn)目標(biāo)時(shí)盡量采用單排鋼刺擊打目標(biāo)以獲得最大攻擊力。