吳寶雙，李 強(qiáng)

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

提高射速是現(xiàn)代武器改進(jìn)與研制的重要方向，而彈鏈供彈是速射武器供彈的主要方式之一，彈鏈的力學(xué)性能中尤以脫彈力及脫彈阻力為主要性能，脫彈力大小的確定是以脫彈阻力為參考依據(jù)的。對內(nèi)能源武器而言，脫彈力大小的選定尤為重要，脫彈力過大，在脫彈過程中將過多的消耗自動機(jī)的能量，降低自動機(jī)的后坐與復(fù)進(jìn)速度，影響武器射速，甚至影響武器射擊的連發(fā)性能。因此研究彈鏈脫彈阻力對提高速射武器的射速很有必要。在開式彈鏈脫彈力計算方面的研究不乏文章，有將彈鏈節(jié)簡化為開口圓弧形曲桿的理論研究［1］，也有推導(dǎo)彈鏈脫彈過程有限元計算公式法［2］等，都為計算脫彈力提供了一定的理論依據(jù)和有效手段。但上述方法多為注重理論研究，且沒有考慮摩擦在脫彈過程中的影響，筆者直接從研究脫彈阻力處著手，在考慮摩擦因素影響的情況下運用ABAQUS顯示動力學(xué)仿真模塊對脫彈過程進(jìn)行仿真分析。

1 彈鏈的組成和作用

彈鏈供彈是速射武器的主要供彈方式，彈鏈?zhǔn)怯扇舾蓚€鏈節(jié)通過中間零件或搭掛聯(lián)接而成，每一個鏈節(jié)容納一發(fā)彈。鏈節(jié)的抱彈部具有一定的彈力，能將彈緊緊抱住，防止彈相對彈鏈運動。彈在鏈節(jié)中以彈斜肩或彈底槽做縱向定位。

在用彈鏈供彈的武器中，每次發(fā)射，輸彈機(jī)構(gòu)將彈鏈依次移動一個鏈節(jié)，使待進(jìn)膛的彈移動到接近彈膛軸線的位置，然后由進(jìn)彈機(jī)構(gòu)推彈入膛。彈鏈的作用就是容彈具，并在射擊過程中依次將彈帶到進(jìn)彈口或取彈口以保證連續(xù)射擊［3］。

2 三維模型的處理

2.1 三維模型的建立

以某榴彈機(jī)槍開式彈鏈為研究對象，基于UG三維實體建模軟件，按照彈鏈的圖紙尺寸，建立彈鏈的實體模型如圖1所示。

由圖1可分析彈鏈的脫彈過程。在脫彈位置處，彈鏈固定，彈體在壓彈板等外力作用下從彈鏈的下方（縱向）脫出，完成脫彈過程。該過程中，彈體要克服彈鏈前后抱彈部因彈性變形而產(chǎn)生的壓力在脫彈反方向的阻力FN，還要克服因接觸滑動而產(chǎn)生的摩擦力在脫彈反方向的阻力FS，二力之和即為脫彈阻力F，F(xiàn)＝FN＋FS。

2.2 三維模型的簡化

由于彈鏈的三維模型復(fù)雜，而ABAQUS顯示動態(tài)分析模塊對網(wǎng)格劃分比較嚴(yán)格，本著不影響分析脫彈阻力結(jié)果的原則，對彈鏈復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，保留彈鏈前后抱彈部的完整結(jié)構(gòu)尺寸，忽略其余不影響脫彈分析的復(fù)雜部分。

3 理論分析與計算

彈鏈脫彈受力情況如圖2所示。供彈機(jī)脫彈時，向彈鏈夾彈片開口方向側(cè)向?qū)棄撼?。彈鏈的前后夾彈片均可簡化為對稱的矩形斷面懸臂梁，當(dāng)向下壓彈時，兩對夾彈片必須張開讓彈體通過。缺口張開的增量Δ為彈殼對應(yīng)部分的直徑與缺口原寬度的差。這樣在彈體通過缺口瞬間，對稱兩夾彈片下端面承受水平作用力。

根據(jù)相關(guān)理論分析［4］，當(dāng)彈鏈材料的彈性模量為E，夾彈片斷面慣性矩為J，夾彈片斷面中性線的半徑為R時，水平作用力P為

式中γ為無具體量綱的系數(shù)，只與夾彈片圓心角φ和夾彈片端面半徑與水平作用力所形成的夾角θ有關(guān)：

計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

表1中：E為材料的彈性模量；J為夾彈片截面慣性矩；R為夾彈片中性面半徑；D為對應(yīng)夾彈片處彈體直徑；S為夾彈片缺口距離；Δ為脫彈過程中夾彈片缺口最大增量；φ為夾彈片包角；θ為夾彈片斷面半徑與水平作用力夾角；R1為夾彈片內(nèi)半徑；R2為夾彈片外半徑；b為夾彈片寬度；h為夾彈片厚度。由φ和θ求得前后夾彈片的系數(shù)γ如下：

根據(jù)R、E、J、Δ等可得到：

前后夾彈片的脫彈力為

則總的脫彈力為：

4 仿真分析研究

仿真分析分兩步進(jìn)行，第一步分析夾彈片與彈體之間的過盈接觸產(chǎn)生的抱彈力，此力值反應(yīng)在彈鏈夾彈片的應(yīng)力云圖上；第二步在抱彈力基礎(chǔ)上分析彈鏈脫彈阻力，脫彈阻力并非常力，它是隨脫彈過程而大小變化的力，通常把它的最大值稱為脫彈阻力。開式彈鏈脫彈過程看似簡單，但此間彈體與彈鏈抱彈部之間的相互接觸而產(chǎn)生的作用力及其復(fù)雜，有接觸面間的正壓力，也有因接觸的相對滑動而產(chǎn)生的摩擦力，因接觸面積的不規(guī)則性，所以在接觸面的不同位置產(chǎn)生的正壓力和摩擦力的大小及方向均不同。而脫彈阻力是脫彈過程中在接觸面間產(chǎn)生的所有作用力在脫彈反方向分量的合成，運用ABAQUS可直接分析上述復(fù)雜過程。

4.1 有限元模型的處理

有限元仿真彈鏈材料選擇結(jié)構(gòu)鋼，參數(shù)選取如下，彈性模量E＝210GPa，泊松比ν＝0.3，密度ρ＝7 850kg／m3。分析過程中將彈體簡化為剛體，通過模型剖分將彈鏈劃分為六面體單元［5］。

4.1.1 抱彈力仿真邊界條件

抱彈力分析采用靜態(tài)通用分析步，接觸類型選擇靜態(tài)面面接觸，注意主從面的選擇不能顛倒，還要正確設(shè)置主從面干涉調(diào)整量參數(shù)，彈鏈上表面六自由度完全約束，僅保留彈體在x、y方向的自由度。

4.1.2 脫彈力仿真邊界條件

選擇六面體8節(jié)點減縮積分單元C3D8R 為彈鏈與彈體劃分網(wǎng)格。接觸類型選擇顯示分析的面面接觸類型。彈體的表面為油漆，與結(jié)構(gòu)鋼接觸時摩擦系數(shù)可取0.2。對彈鏈的上表面施加固定約束，對彈體賦予一個沿脫彈方向的初速度，初速的大小要能滿足實現(xiàn)脫彈過程。建立的仿真模型如圖3所示。

4.2 仿真結(jié)果

為得到真實的仿真結(jié)果，仿真過程完全模擬彈鏈實際脫彈過程，先模擬彈鏈抱彈力，在此基礎(chǔ)上分析彈鏈的脫彈力。脫彈初始速度選擇尤為重要，彈體與抱彈部的內(nèi)表面相互接觸作用，在彈體動能的作用下，將前后抱彈部撐開，完成脫彈過程。此過程中接觸面并非時刻接觸，而是在初速的撞擊作用下接觸－分離－接觸的不斷循環(huán)過程。理論上初速越小，得到的脫彈阻力越接近穩(wěn)態(tài)分析，實際模擬過程中初速的大小由試驗數(shù)據(jù)確定。

4.2.1 抱彈力結(jié)果分析

利用ABAQUS軟件強(qiáng)大的分析功能，設(shè)置通用靜態(tài)面面接觸類型，將彈體與夾彈片之間的過盈接觸量撐開，得到彈鏈在抱彈力情況下的應(yīng)力云圖如圖4所示。

從圖可知等效應(yīng)力最大值為199.6MPa，位置靠近夾彈片根部。

4.2.2 脫彈力結(jié)果分析

仿真過程得到因彈性壓力、摩擦力作用而分別產(chǎn)生的脫彈阻力FN、FS以及二者合力脫彈阻力F的時間歷程曲線，如圖5～圖8所示。

由圖5的彈性接觸而產(chǎn)生的脫彈阻力時間歷程曲線分析可知，在脫彈過程的起始階段，阻力大小為10N，此即等效為抱彈力。脫彈過程的第一階段0－0.23s區(qū)間，阻力較大并呈現(xiàn)振蕩變化規(guī)律，該區(qū)間阻力最大值為37.72N。彈體與彈鏈抱彈部之間定義面面接觸約束，但在給予彈體一定初速向下運動的過程中，兩接觸面之間不可能時刻保持接觸，而是不斷碰撞運動，所以會出現(xiàn)力值的波動變化。該規(guī)律符合脫彈過程的實際情況。在該曲線第二階段0.23－0.47s區(qū)間，阻力變化呈現(xiàn)正負(fù)對稱分布，且該時間段內(nèi)力值波動較小，大小趨于6N左右，該區(qū)間是阻力方向由正轉(zhuǎn)負(fù)的過渡區(qū)間，所以力值變化平穩(wěn)。在脫彈的第一階段，抱彈部內(nèi)表面對彈體的作用力方向均指向彈體軸線，因軸線位置在抱彈部末端的上方，所以阻力為正值。隨著脫彈過程的進(jìn)行，彈體軸線位置繼續(xù)下移，當(dāng)與抱彈部末端在同一水平位置時，即0.34s時，阻力為0，過此時刻，彈體軸線在抱彈部下方，阻力為負(fù)值。脫彈過程第三階段，阻力一直為負(fù)，對彈體已無阻礙作用及第四階段阻力大小為0，彈體與彈鏈已經(jīng)脫離接觸，均符合實際情況。

如圖6分析可知，從相對運動開始，摩擦力均存在，且值大小為正，對脫彈起阻礙作用。在脫彈過程第一階段t＝0.23s時，摩擦力達(dá)到最大值16.25N，此階段正是抱彈部開口位移不斷增大的過程。因摩擦力大小是由接觸壓力與接觸面性質(zhì)共同決定的，所以摩擦力大小并不一定出現(xiàn)在抱彈部開口位移最大處（此時接觸面積已為線接觸）。

由圖7分析可知，脫彈阻力大小由接觸壓力和動摩擦力產(chǎn)生的阻力決定，并與接觸壓力產(chǎn)生的阻力呈現(xiàn)一致的分布規(guī)律，圖8為各阻力之間的對比關(guān)系。

脫彈阻力和節(jié)點110 位移曲線如圖9所示。由圖9脫彈阻力與抱彈部開口110節(jié)點位移時間歷程曲線對比可知，脫彈阻力最大值為49.2N（單側(cè)），且最大值出現(xiàn)位置并非在抱彈部開口位移最大處，而是在脫彈過程的第一階段，此外，由位移時間歷程曲線還可得出，在脫彈完成之后，抱彈部開口處110節(jié)點呈現(xiàn)周期性振蕩，說明抱彈部沒有發(fā)生屈服。

5 結(jié)論

以研究開式彈鏈脫彈阻力為出發(fā)點，運用顯示動力學(xué)軟件ABAQUS模擬仿真脫彈過程，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了理論評估，得到了抱彈力存在下彈鏈的應(yīng)力云圖及脫彈阻力與抱彈部開口位移時間歷程曲線基本符合脫彈過程的真實情況。還得出脫彈阻力最大值為98.4N（大于88.1N 是考慮到摩擦影響）和脫彈阻力最大值發(fā)生位置并非在抱彈部開口位移最大處的結(jié)論。該仿真分析得出的數(shù)值與理論計算值對比說明摩擦因素對脫彈阻力的影響不可忽略，從而為脫彈阻力的分析提供了一種新方法，該方法可對其他彈鏈結(jié)構(gòu)的分析提供參考，同時對解決具體的工程問題有同樣的參考價值。

（References）

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［3］薄玉成，王惠源，李強(qiáng)，等.自動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2009：167－174.BO Yucheng，WANG Huiyuan，LI Qiang，et al.Automatic machine structure design［M］.Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry，2009：167－174.（in Chinese）

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