步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈后坐過載環(huán)境仿真方法

徐紹帥，王雨時(shí)，聞 泉，黃建強(qiáng)，龔顯益，喻新連

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.岳陽金秋紅日工業(yè)有限公司，湖南岳陽414000）

步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈后坐過載環(huán)境仿真方法

徐紹帥1，王雨時(shí)1，聞 泉1，黃建強(qiáng)2，龔顯益2，喻新連2

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.岳陽金秋紅日工業(yè)有限公司，湖南岳陽414000）

針對(duì)步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載環(huán)境特殊，并不是膛壓函數(shù)的問題，應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真軟件對(duì)5.8 mm和7.62 mm口徑步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈過程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了后坐過載-時(shí)間曲線，利用銅柱測(cè)壓原理實(shí)驗(yàn)測(cè)得了后坐過載峰值，驗(yàn)證了仿真結(jié)果。步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載峰值最小達(dá)19 000 g，遠(yuǎn)大于步槍空包彈發(fā)射時(shí)的后坐過載。步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載持續(xù)時(shí)間很短，只有120 μs左右，與1.5 m落高跌向鋼板的跌落沖擊持續(xù)時(shí)間接近。7.62 mm口徑槍彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載比5.8 mm口徑槍彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載大80%左右；捕彈器材料軟時(shí)后坐過載小，反之則較大。

引信；發(fā)射環(huán)境；數(shù)值仿真；槍榴彈；后坐過載

0 引言

在引信設(shè)計(jì)中要求其具有解除保險(xiǎn)可靠性和安全性。槍榴彈發(fā)射時(shí)的后坐過載關(guān)系到引信發(fā)射強(qiáng)度與解除保險(xiǎn)性能設(shè)計(jì)，也關(guān)系到其戰(zhàn)斗部發(fā)射強(qiáng)度設(shè)計(jì)和裝藥安定性設(shè)計(jì)等。早期槍榴彈多以空包槍彈發(fā)射?？瞻鼧審棸l(fā)射槍榴彈的后坐過載一般只有500～1 000 g［1］。隨著捕彈器技術(shù)的發(fā)展與成熟，槍榴彈逐漸改用步槍實(shí)彈發(fā)射，以減少戰(zhàn)士攜帶與作戰(zhàn)使用的槍彈品種，也從根本上杜絕了實(shí)彈誤代空包槍彈發(fā)射槍榴彈可能帶來的安全性隱患。但步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈所產(chǎn)生的后坐過載環(huán)境未見有文獻(xiàn)研究。最新的歐美國家引信產(chǎn)品手冊(cè)［2-3］也未見有步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載環(huán)境介紹。文獻(xiàn)［4］雖然討論了步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈的內(nèi)彈道學(xué)問題，但步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載環(huán)境特殊，并不是膛壓的函數(shù)，而是與槍彈彈頭沖擊捕彈器過程密切相關(guān)。本文針對(duì)此問題，提出了步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈后坐過載環(huán)境仿真方法。

1 仿真模型及仿真參數(shù)設(shè)置

由于槍榴彈發(fā)射方式特殊，所以本文設(shè)計(jì)一種專用于測(cè)量槍榴彈發(fā)射后坐過載的測(cè)試彈，如圖1所示。測(cè)試彈結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，按實(shí)際建模后仿真時(shí)間會(huì)較長。為減少仿真時(shí)間，將槍榴彈內(nèi)部一些變形較小部分合為一個(gè)整體，即槍榴彈主體（包括戰(zhàn)斗部、引信和尾管等），只留下仿真需要的功能零件（慣性體、銅柱、捕彈器和鋁合金墊等）。另外，由于測(cè)試彈為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以只建立四分之一模型，并在對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。仿真模型建立如圖2所示。

圖1 引信后坐過載環(huán)境測(cè)試彈Fig.1 Rifle grenade for testing fuze setback-load

圖2 槍彈沖擊槍榴彈仿真模型Fig.2 Simulating model of bullet impacting rifle grenade

仿真模型由六部分組成，其中為減少計(jì)算時(shí)間，將仿真過程中變形較小的槍榴彈主體和慣性體簡化定義為剛體。由于槍榴彈主體的各部分材料不同，密度也不同，所以用等效密度來定義槍榴彈主體密度，以保證模型與實(shí)彈重量相同。等效密度，是指根據(jù)仿真彈重與實(shí)際彈重相同的原則在仿真軟件ANSYS/ LS-DYNA的k文件中直接修改的材料密度。

普通槍彈彈頭由鋼芯、鉛套和覆銅鋼殼體組成［5］。槍彈彈頭結(jié)構(gòu)外層的被甲（覆銅鋼殼體）和鉛套（鉛銻合金）材料硬度低，強(qiáng)度小，在沖擊捕彈器時(shí)容易破壞，對(duì)靶板的沖擊侵徹效應(yīng)主要體現(xiàn)在彈頭內(nèi)強(qiáng)度較高的鋼芯上。為簡化模型，彈頭采用一種材料模型，并采用等效密度使模型質(zhì)量與實(shí)彈質(zhì)量相同。由文獻(xiàn)［6］可知，經(jīng)過處理的T12A鋼可作為槍彈彈芯材料。由于無法獲得T12A鋼的仿真模型參數(shù)，所以本文參照文獻(xiàn)［7—8］，在仿真時(shí)以硬度近似T12A鋼的合金鋼30Cr MnSiA替代T12A鋼作為槍彈彈頭鋼芯材料。

本文中采用軟、硬兩種捕彈器材料，分別為45鋼和65Mn鋼。選擇仿真材料參數(shù)定義如表1、表2和表3所列。

表1 30Cr MnSiA鋼（彈頭鋼芯）隨動(dòng)塑性材料模型參數(shù)［7-8］Tab.1 PLASTIC-KINEMATIC material model of Steel 30Cr MnSiA（steel core of bullet）

表2 RIGID（剛體模型）材料模型參數(shù)［7］Tab.2 RIGID material model

表3 JOHNSON-COOK材料模型參數(shù)［9-11］Tab.3 JOHNSON-COOK material model

2 槍榴彈引信后坐過載環(huán)境仿真

捕彈器采用軟、硬兩種材料（45鋼和65Mn鋼）、兩種尺寸（如圖3中a尺寸分別取7 mm和6 mm）。以7.62 mm和5.8 mm口徑步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈，所得仿真結(jié)果分別如圖4和圖5所示以及表4所列。

圖3 捕彈器示意圖Fig.3 Schematic diagram of bullet trap

圖4 7.62 mm實(shí)彈發(fā)射槍榴彈慣性體后坐加速度仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of coasting body acceleration when firing rifle grenade using 7.62 mm bullet

圖4中，曲線1為7.62 mm實(shí)彈撞擊45鋼7 mm捕彈器時(shí)慣性體加速度；曲線2為7.62 mm實(shí)彈撞擊45鋼6 mm捕彈器時(shí)慣性體加速度；曲線3為7.62 mm實(shí)彈撞擊65Mn鋼7 mm捕彈器時(shí)慣性體加速度；曲線4為7.62 mm實(shí)彈撞擊65Mn鋼6 mm捕彈器時(shí)慣性體加速度。

圖5 5.8 mm實(shí)彈發(fā)射槍榴彈慣性體后坐加速度仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of coasting body acceleration when firing rifle grenade using 5.8 mm bullet

圖5中，曲線1為5.8 mm實(shí)彈撞擊45鋼7 mm捕彈器時(shí)慣性體加速度；曲線2為5.8 mm實(shí)彈撞擊45鋼6 mm捕彈器時(shí)慣性體加速度；曲線3為5.8 mm實(shí)彈撞擊65Mn鋼7 mm捕彈器時(shí)慣性體加速度；曲線4為5.8 mm實(shí)彈撞擊65Mn鋼6 mm捕彈器時(shí)慣性體加速度。

表4 步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈后坐過載仿真結(jié)果匯總Tab.4 Simulation result collect of Setback-load of firing rifle grenade using bullet

在槍榴彈引信設(shè)計(jì)中，需根據(jù)其所受后坐過載來確定槍榴彈引信解除保險(xiǎn)設(shè)計(jì)方案。

3 槍榴彈引信后坐過載環(huán)境測(cè)試

槍榴彈引信后坐過載環(huán)境測(cè)試原理如圖1所示。槍榴彈發(fā)射后，后坐力使慣性體對(duì)銅柱施壓，試驗(yàn)后測(cè)量銅柱高度，對(duì)照銅柱壓力表即可知慣性體對(duì)銅柱的壓力大小。槍榴彈發(fā)射后坐過載測(cè)試結(jié)果如表5所列。試驗(yàn)中采用7.62 mm實(shí)彈和調(diào)質(zhì)處理后的7 mm長45鋼捕彈器。

表5 7.62 mm槍彈發(fā)射槍榴彈后坐過載試驗(yàn)值Tab.5 experimental results of setback-load of firing rifle grenade using 7.62 mm bullet

仿真時(shí)未考慮槍彈發(fā)射藥以及槍榴彈尾管內(nèi)隨進(jìn)裝藥的作用，因而系統(tǒng)性偏小約22%。

4 結(jié)論

本文提出了應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈過程以得到槍榴彈發(fā)射時(shí)后坐過載環(huán)境的方法，運(yùn)用該方法得到了槍榴彈發(fā)射后坐過載-時(shí)間曲線。步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載峰值最小達(dá)19 000 g，遠(yuǎn)大于步槍空包彈發(fā)射時(shí)的后坐過載（500～1 000 g）。步槍實(shí)彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載持續(xù)時(shí)間很短，只有120μs左右，與1.5 m落高跌向鋼板的跌落沖擊持續(xù)時(shí)間接近。7.62 mm口徑槍彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載比5.8 mm口徑槍彈發(fā)射槍榴彈的后坐過載大80%左右；捕彈器材料軟時(shí)后坐過載小，反之則較大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該方法得到的結(jié)果與實(shí)際基本相符。

［1］馬寶華.引信構(gòu)造與作用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1984.

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［5］《槍彈手冊(cè)》編寫組.槍彈手冊(cè)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1988.

［6］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 1665-1993槍彈彈芯用T12A冷拉鋼規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

［7］《工程材料使用手冊(cè)》編輯委員會(huì).工程材料手冊(cè)（第二版）［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［8］王琳，王富恥.空心彈體侵徹金屬靶板的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2001.24（6）：13-17.

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Setback Overload Environment Simulation of Rifle Grenade Live Firing

XU Shaoshuai1，WANG Yushi1，WEN Quan1HUANG Jianqiang2，GONG Xianyi2，YU Xinlian2
（1.College of Mechanical Engineering，NUST，Naniing 210094，China；2.Yueyang Jinqiuhongri industry Limited Company.Yueyang 414000，China）

In order to provide ballistic environment to fuze design，the process of firing rifle grenade using 5.8 mm and 7.62 mm caliber bullet was simulated with the software ANSYS/LS-DYNA，and then the setback overload-time curve was obtained，the peak of the setback overload was obtained through experiments using the copper cylinder pressure measuring principle，which proved the result of simulation.The peak of the setback overload of firing rifle grenade using bullet was more than 19 000 g，and it’s much higher than that of firing rifle grenade using blank.The time that firing rifle grenade using bullet is as short as 120μs，and closed to the time of impact when fuze was dropping to steel plate from 1.5 m height.The setback overload of firing rifle grenade using 7.62 mm calber bullet is 80%higher than that of firing rifle grenade using 5.8 mm caliber bullet.The setback overload was lower when the material of the bullet trap was softer，whereas which was higher.

fuze；lauching environment；numerical simulation；rifle grenade；setback overload

TJ43

A

1008-1194（2015）05-0040-03

2015-01-03

徐紹帥（1987—），男，遼寧普蘭店人，碩士，研究方向：引信系統(tǒng)分析與總體設(shè)計(jì)。E-mail：hiuihnu@163.com。