張　克，袁　點(diǎn)

(中國兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京　102202)

微后坐沖鋒槍全槍有限元仿真研究

張克，袁點(diǎn)

(中國兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京102202)

摘要：為研究某新型微后坐沖鋒槍采用的遷移式自動(dòng)機(jī)的抽殼過程及自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況，并對已完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的沖鋒槍模型中的關(guān)重零件強(qiáng)度進(jìn)行研究，因抽殼過程的高壓、瞬時(shí)性和復(fù)雜性，且其自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)多體接觸比較復(fù)雜，為對微后坐沖鋒槍的研究工作帶來了一定的難度；使用ABAQUS有限元分析軟件，建立起了包含彈殼彈膛系統(tǒng)、遷移式自動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的全槍有限元模型，施加了火藥氣體力和復(fù)進(jìn)簧力等載荷，對抽殼過程和關(guān)重件進(jìn)行了強(qiáng)度與剛度分析。研究結(jié)果表明：抽殼過程安全可靠，主要零件強(qiáng)度剛度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，研究結(jié)果對新一代沖鋒槍的研制有一定的現(xiàn)實(shí)意義，該研究方法也可為其他自動(dòng)機(jī)武器分析研究供參考。

關(guān)鍵詞：微后坐；沖鋒槍；有限元；遷移式自動(dòng)機(jī)；ABAQUS

本文引用格式：張克，袁點(diǎn).微后坐沖鋒槍全槍有限元仿真研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(12):1-5.

Citation format:ZHANG Ke, YUAN Dian.Finite Element Analysis of Whole Micro-Recoil Submachine Gun[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(12):1-5.

Finite Element Analysis of Whole Micro-Recoil Submachine Gun

ZHANG Ke, YUAN Dian

(No.208 Research Institute of China Ordnance, Beijing 102202, China)

Abstract:Aimed at researching the process of extracting shell and the motion of vector-automatic mechanism used in micro-recoil submachine gun, the key parts’ strength and stiffness of the submachine gun model with completed structure were analyzed. While, with the extraction in high pressure and short time, the process and the whole structures’ multi-body were very complex, which increases difficulties to the study. By using FEA software-ABAQUS, we established the finite element analysis model which included cartridge-case and chamber system and the vector-automatic mechanism system, and the load was applied by powder gas force and recoil spring force and the extraction, and key parts for the strength and stiffness were analyzed. The results show that extraction is safe and reliable, and the main parts’ strength and stiffness meets the design requirement. The study results have certain practical significance on the development of a new generation of sub-machine gun and this research method can also be used in the analysis and research of other automatic weapon.

Key words:micro-recoil; submachine gun; finite element analysis; vector-automatic mechanism;

ABAQUS

某微后坐沖鋒槍采用遷移式自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，遷移式自動(dòng)機(jī)的槍機(jī)經(jīng)一段直線后坐后到達(dá)遷移點(diǎn)，改變運(yùn)動(dòng)方向，沿斜向下方運(yùn)動(dòng)，達(dá)到將后坐能量向下遷移的目的，從而能較大幅度降低武器發(fā)射時(shí)的后坐力。遷移式自動(dòng)機(jī)實(shí)際上屬于一種半自由槍機(jī)，其在發(fā)射時(shí)，火藥在彈膛內(nèi)燃燒，一方面火藥燃?xì)饬ψ饔糜趶棜较颍箯棜べN緊彈膛，完成發(fā)射時(shí)的彈膛封閉；另一方面火藥燃?xì)饬τ糜趶椀?，?dāng)作用于彈底的的火藥燃?xì)饬Υ蟮阶銐蚩朔棜づc彈膛擠壓產(chǎn)生的摩擦力時(shí)，彈殼開始向后運(yùn)動(dòng)，擠壓槍機(jī)向后運(yùn)動(dòng)。由于彈殼與彈膛接觸及彈殼工作狀況的復(fù)雜性；又因遷移式自動(dòng)機(jī)屬于半自由槍機(jī)，火藥燃燒階段已開始抽殼；另外，自動(dòng)武器抽殼過程是一個(gè)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過程，對其影響因素眾多。因此對遷移式自動(dòng)機(jī)的抽殼進(jìn)行理論計(jì)算及對相連的自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究非常困難。

1有限元分析適用性選擇和基本假設(shè)

由于模型的高度復(fù)雜性和非線性，本文擬選用ABAQUS/Explicit模塊進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析。ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到極富挑戰(zhàn)性的非線性問題，故適合本模型的分析。

1.1　動(dòng)力學(xué)顯式有限元方法

(1)

其中：P為所施加的外力；I為單元內(nèi)力。

在當(dāng)前增量步開始時(shí)，計(jì)算加速度為

(2)

采用中心差分方法對加速度在時(shí)間上進(jìn)行積分，假定加速度為常數(shù)，應(yīng)用這個(gè)速度的變化值加上前一個(gè)增量步中心速度，確定出當(dāng)前增量步中點(diǎn)速度為

(3)

速度對時(shí)間的積分加上在增量步開始時(shí)的位移，得增量步結(jié)束時(shí)的位移：

這件事在文壇一時(shí)傳為佳話，至今也為人稱贊。一贊茅盾的直言，二贊陽翰笙的雅量。不過在我看來，陽翰笙面對批評的風(fēng)度尤值得稱道。

(4)

綜上，在增量步開始時(shí)提供了滿足動(dòng)力學(xué)平衡條件的加速度，在時(shí)間上“顯式”地向前推算出速度和位移?！帮@式”指在增量步結(jié)束時(shí)的狀態(tài)僅依賴于該增量步開始的加速度，速度和位移。隨著增量步的增加，循環(huán)以上顯式分析過程，最終完成有限元模型的分析計(jì)算[3]。

由于顯式方法的特點(diǎn)，它采用的是顯式地前推模型的狀態(tài)，所以不需要普通隱式計(jì)算的迭代和收斂準(zhǔn)則。顯式方法求解不需要一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地迭代求解，故可以容易地模擬接觸條件和一些極度不連續(xù)的情況。綜上，遷移式自動(dòng)機(jī)的有限元模型分析可采用ABAQUS/Explicit進(jìn)行分析計(jì)算。

1.2　有限元模型基本假設(shè)

火藥燃燒及抽殼過程不考慮溫度影響；彈膛彈殼系統(tǒng)彈塑性變形規(guī)律符合雙折線模型；為簡化有限元模型，減小計(jì)算模型量[4]。槍管較原有槍管截短，只保留了彈膛部分；槍機(jī)忽略了拉殼鉤和擊針，拉殼結(jié)構(gòu)設(shè)置于彈底窩；有限元模型不考慮拋殼。為了劃分網(wǎng)格方便，忽略一些不重要的結(jié)構(gòu)及倒角倒圓。

2遷移式自動(dòng)機(jī)有限元模型的建立

2.1　幾何模型

在UG軟件中，刪除不參與計(jì)算的零部件和對結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)等，將模型導(dǎo)入到ABQUS/CAE中，模型如圖1所示。計(jì)算模型由槍管、彈殼、槍機(jī)、平衡配重塊、基座和左右側(cè)板(左側(cè)板已隱藏)等7部分組成。

圖1　遷移式自動(dòng)機(jī)幾何模型

2.2　材料模型

槍管材料選用30CrNi2MoVA，這種材料經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，力學(xué)性能非常優(yōu)異，材料屈服極限超過835 MPa。為了方便計(jì)算，不考慮槍管鍍鉻，將槍管材料簡化成單一合金鋼。

9 mm手槍彈彈殼材料為覆銅鋼，國內(nèi)的槍彈材料多為F18覆銅鋼[5]，屬于低碳鋼，其彈性模量為2.12e11 Pa，泊松比0.288，屈服應(yīng)力為235 MPa。

由于槍機(jī)與平衡配重塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)要進(jìn)行復(fù)雜碰撞，要求強(qiáng)度較高，其材料選擇40Cr。彈性模量為2.11e11 Pa，泊松比為0.277，屈服應(yīng)力為785 MPa。左右側(cè)板材料均選用40Cr，基座材料選用50鋼。

2.3　模型的載荷及邊界條件施加

將時(shí)間膛壓曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存為Excel表格，使用ABAQUS自帶的插件工具，將表格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ABAQUS中，其中第一列數(shù)據(jù)為時(shí)間，第二列數(shù)據(jù)為膛壓。將膛壓幅值以壓強(qiáng)載荷的形式施加于彈殼。

設(shè)置模型為自動(dòng)接觸，定義接觸中的摩擦系數(shù)，使用軸向參考線段的方法設(shè)置平衡配重塊與基座之間的復(fù)進(jìn)簧。在模型銷孔位置定義邊界條件為完全固定。

2.4　遷移式自動(dòng)機(jī)有限元模型

彈膛采用C3D8R單元類型，其為8節(jié)點(diǎn)六面體減縮單元，共27 754個(gè)單元，其網(wǎng)格模型如圖2所示。彈殼與彈膛采用相同單元類型，共13 974個(gè)單元，其網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2　彈膛網(wǎng)格模型 圖3　彈殼網(wǎng)格模型

槍機(jī)與平衡配重塊的關(guān)重部位(如槍機(jī)前后導(dǎo)柱，平衡配重塊導(dǎo)槽導(dǎo)柱等)網(wǎng)格劃分采用C3D8R單元類型。其他部位對分析結(jié)果影響不大，為減少劃分網(wǎng)格的工作量使用自由網(wǎng)格類型，其網(wǎng)格類型為C3D4(4節(jié)點(diǎn)四面體單元)。其網(wǎng)格模型如圖4和圖5所示。

圖4　槍機(jī)網(wǎng)格模型 圖5　平衡配重塊網(wǎng)格模型

建立起的遷移式自動(dòng)機(jī)有限元模型如圖6所示，共382 232個(gè)單元。

圖6　遷移式自動(dòng)機(jī)有限元模型

3遷移式自動(dòng)機(jī)有限元模型結(jié)果分析

3.1　彈殼彈膛系統(tǒng)有限元分析結(jié)果

對分析結(jié)果進(jìn)行后處理可知，在發(fā)射過程中，槍管強(qiáng)度均在允許范圍內(nèi)。為驗(yàn)證抽殼的安全性，在彈殼頭部易變形部位1點(diǎn)處測量其應(yīng)力(位置如彈殼網(wǎng)格圖3所示)，得出的其應(yīng)力時(shí)間曲線如圖7所示。從圖7可知，應(yīng)力峰值略大于9 mm手槍彈最大膛壓(200 MPa)，在膛壓峰值附近。手槍彈膛壓相對較小，因此本型沖鋒槍在高壓抽殼時(shí)，抽殼阻力并不大，射擊過程安全。

圖7　彈殼頭部應(yīng)力時(shí)間曲線

在彈殼尾部2點(diǎn)處(位置如彈殼網(wǎng)格模型圖3所示)抽殼時(shí)最易發(fā)生橫向斷裂，其應(yīng)力時(shí)間曲線如圖8所示。由圖8可知，最大應(yīng)力為150 MPa，小于彈殼材料的屈服應(yīng)力(235 MPa)，抽殼過程安全可靠。

圖8　彈殼尾部應(yīng)力時(shí)間曲線

在彈殼尾部沿徑向方向位移時(shí)間曲線如圖9所示。由圖9可知，在抽殼過程中，彈殼尾部在火藥燃?xì)饬Φ淖饔孟?，徑向的最大位移小?.41 mm，變形量很小，發(fā)射過程中未出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象。這也間接地驗(yàn)證了遷移式自動(dòng)機(jī)的參數(shù)匹配合理，自動(dòng)機(jī)動(dòng)作安全可靠。

圖9　彈殼尾部徑向位移時(shí)間曲線

提取彈膛與彈殼在0.2,0.8,1.5和2.1 ms時(shí)刻的應(yīng)力云圖，如圖10所示。從圖10可知，抽殼過程安全穩(wěn)定，槍管彈膛強(qiáng)度滿足發(fā)射要求，彈殼未發(fā)生斷殼、破裂等事故。

圖10　彈膛彈殼系統(tǒng)應(yīng)力云圖

3.2　槍機(jī)有限元分析結(jié)果

對遷移式自動(dòng)機(jī)有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，槍機(jī)與平衡配重塊延遲開鎖斜面接觸的尾端面是應(yīng)力集中的部位，應(yīng)力值隨著膛內(nèi)壓強(qiáng)的增大而增大。提取膛壓峰值附近0.1,0.2,0.3和0.4 ms的槍機(jī)應(yīng)力云圖如圖11所示，從圖中可知槍機(jī)最大應(yīng)力值在膛壓峰值附近，最大應(yīng)力值為720 MPa。由于計(jì)算模型的限制，對槍機(jī)尾端導(dǎo)向柱和其連接槍機(jī)部位使用了不同的單元類型，以上得到的最大應(yīng)力集中在網(wǎng)格混合部位，實(shí)際承力部位應(yīng)力較小。綜上可知，在整個(gè)時(shí)間歷程中，槍機(jī)應(yīng)力值均未超過40Cr材料的屈服極限，槍機(jī)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11　槍機(jī)應(yīng)力云圖

3.3　平衡配重塊有限元分析結(jié)果

平衡配重塊的應(yīng)力集中部位分布在延遲開鎖斜面和導(dǎo)向塊上，最大應(yīng)力發(fā)生在0.2 ms左右，其應(yīng)力云圖如圖12所示。如應(yīng)力云圖所示，1點(diǎn)為平衡配重塊延遲開鎖斜面應(yīng)力最大處，其應(yīng)力時(shí)間曲線如圖13所示；2點(diǎn)為導(dǎo)向柱應(yīng)力最大處，其應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖14所示。從圖13可知，1點(diǎn)延遲開鎖斜面處最大應(yīng)力為585 MPa；從圖14可知，2點(diǎn)導(dǎo)向柱處的最大應(yīng)力為550 MPa。1點(diǎn)與2點(diǎn)處的應(yīng)力均小于屈服應(yīng)力，未發(fā)生塑性變形，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12　2 ms時(shí)平衡配重塊應(yīng)力云圖

圖13　平衡配重塊延遲開鎖斜面處應(yīng)力時(shí)間曲線

圖14　平衡配重塊導(dǎo)向塊處應(yīng)力時(shí)間曲線

3.4　側(cè)板有限元分析結(jié)果

通過對有限元分析結(jié)果進(jìn)行后處理，提取出右側(cè)板在0.2，0.3，0.4和0.5 ms的應(yīng)力云圖如圖15所示。結(jié)合分析結(jié)果，側(cè)板模型在整個(gè)發(fā)射階段時(shí)間歷程中，側(cè)板模型的所有部位的最大應(yīng)力均未超過470 MPa，未發(fā)生塑性變形，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖15　右側(cè)板應(yīng)力云圖

4結(jié)論

根據(jù)上文遷移式自動(dòng)機(jī)已完成的參數(shù)匹配，本章建立了包含彈殼彈膛系統(tǒng)、槍機(jī)平衡配重塊系統(tǒng)、機(jī)匣導(dǎo)槽系統(tǒng)的有限元模型。對彈膛和彈殼系統(tǒng)進(jìn)行了分析，證明抽殼過程安全可靠。有限元分析計(jì)算結(jié)果表明：槍機(jī)、平衡配重塊、側(cè)板等重要部件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，遷移式自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配結(jié)果合理。

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

中圖分類號：TJ22

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)12-0001-05

doi:10.11809/scbgxb2015.12.001

作者簡介：張克(1976—)，男，高級工程師，主要從事輕武器結(jié)構(gòu)研究。

收稿日期：2015-05-27