崔瑩

（武警工程大學裝備管理與保障學院，陜西 西安 710086）

1 研究背景

警棍是武警部隊和公安系統(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，也可用來擋護、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，且不能滿足不同場合下差異化攻擊效果的需求。

針對現有警棍威力不足等問題，根據一線人員執(zhí)行不同任務的實戰(zhàn)需求，經反復論證，針對警棍攻擊威力要求不一的問題，設計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。設計完成后的外觀示意圖如圖1所示，其結構剖視圖如圖2所示，主要由棍體、連桿、鋼刺、端部螺帽、銷釘、圓環(huán)等組成，鋼刺與連桿通過銷釘連接，使用時旋轉端部螺帽可實現鋼刺從棍體內伸出或收回。

圖1 狼牙警棍外觀示意圖

圖2 狼牙警棍剖視圖

根據GA 886—2010《公安單警裝備 警用伸縮警棍》[2]要求，警棍應具備良好的抗沖擊性能，沖擊性能測試一般通過落錘試驗進行分析，為提高試驗效率，促進棍體設計優(yōu)化，通過有限元分析軟件對其進行了仿真。

歷史文獻中通過數值仿真軟件對不同設備的沖擊分析研究較多。王海濤等[3]采用軟件Ansys對某升降裝置船用平臺進行抗沖擊動力學分析，得到沖擊響應下的位移及應力，驗證其設計可靠性。董飛飛等[4]通過實驗與仿真分析對埋地長輸管道在沖擊載荷作用下的參數進行分析，其參數主要包括管道的振動加速度、應變等。謝新宇等[5]對Ti/CFRP層合板進行沖擊分析，通過軟件ABAQUS對復合材料鋪角、鈦板等參數與層合板的損傷建立關系。夏芊文[6]通過理論、數值及實驗三種方法得到了各個參數對H型鋼柱動力沖擊響應的影響。目前尚未有相關學者針對警棍的抗沖擊性能進行研究。

本文擬采用軟件Ansys Workbench對狼牙警棍抗沖擊性能仿真，得到棍體及鋼刺的應力及變形。同時，引入評判鋼刺強度及警棍攻擊力的2個參量，針對鋼刺的材質及長度進行靈敏度分析，并對兩種不同擊打方式對比仿真，進而指導警棍抗沖擊性能設計。

2 有限元模型建立

2.1 模型簡化

在開展有限元分析時，為了提高計算效率，一般需對所分析結構進行簡化。狼牙警棍內部結構較為復雜，若將銷釘全部建模分析，則鋼刺與連桿鉸接處存在大量摩擦。同時，本文研究重點為鋼刺的強度，因此可將銷釘省略簡化。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，同時為了降低計算難度，所有仿真中均采用鋼板作為擊打目標。簡化后的模型如圖3所示。

圖3 簡化后的模型示意圖

2.2 模型建立

2.2.1 網格劃分與接觸設置

警棍所有部件及鋼板均采用四面體單元進行網格劃分，其單元類型為8節(jié)點實體單元SOLID164，該單元經常被用于三維的顯式結構實體分析。警棍棍體及鋼刺均采用6061-T6鋁合金，鋼板選用304鋼。網格劃分完成后對現有網格加密一倍，發(fā)現最終仿真結果不超過2%，可證明網格劃分的合理性。劃分完成后的網格如圖4所示。

圖4 網格劃分后結構示意圖

2.2.2 邊界條件加載

為了能模擬警棍沖擊時的響應，計算時對警棍施加向下的初速度，使其撞擊鋼板。根據GA 886—2010中對沖擊試驗的描述，其初始速度為5 m/s。由于碰撞時間非常短，計算時假定為10-5s。各鋼刺與棍體均設置為無摩擦接觸，鋼刺與連桿設置為鉸連接，鋼板底面采用固定全約束。撞擊時首先考慮單排鋼刺撞擊鋼板。

2.2.3 計算結果分析

求解時采用顯式動力學分析（Explicit Dynamics）。仿真后的整體應力云圖如圖5所示，從圖中可以看到，鋼刺與鋼板在撞擊位置處應力最大，并且鋼刺對棍體及與鋼刺鉸接位置處均產生一定的沖擊壓力，分別對棍體、連桿及銷釘產生沖擊變形，因此在警棍棍體及連桿設計時需考慮該位置的強度。鋼刺上的應力分布放大云圖如圖6所示，可以看到從前端撞擊點到銷釘連接處，應力呈逐漸減小趨勢。鋼板撞擊點放大云圖如圖7所示，可以發(fā)現鋼板與鋼刺撞擊中心點處應力最大，并且應力呈中心放射狀分布。

圖5 撞擊后警棍與地面應力云圖

圖6 鋼刺應力云圖

圖7 鋼板局部應力云圖

3 鋼刺參數靈敏度仿真分析

鋼刺是狼牙警棍攻擊力體現的關鍵部件。鋼刺設計時主要考慮材料及長度2個參數。為了能更好對比不同參數下的警棍的攻擊能力與強度，引入兩個參量：碰撞后鋼板在撞擊點處的最大Mises應力σ1、鋼刺上的最大Mises應力σ2。σ1值越大，說明警棍的攻擊力越大。安全系數n=σs/σ2值越大，其比屈服強度σs越小，說明鋼刺強度越高。

3.1 不同材料鋼刺仿真分析

本節(jié)主要針對制作鋼刺的常見材料進行仿真分析，鋼刺的長度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鋼材質鋼刺警棍沖擊應力云圖如圖8所示，TC4材質所制鋼刺警棍沖擊應力云圖如圖9所示，對比6061-T6材質鋼刺云圖可以看到，三種材質的鋼刺在沖擊下應力云圖類似，但其應力值差異較大。

圖8 304鋼材質鋼刺警棍沖擊應力云圖

圖9 TC4材質鋼刺警棍沖擊應力云圖

提取3種材料對應的σ1、σ2、σs/σ2，如表2所示，通過分析可以發(fā)現，304材料的鋼刺在撞擊下應力σ2已超過其屈服極限，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 不同長度的鋼刺仿真分析

本節(jié)主要針對同一材料下的不同長度L的鋼刺進行沖擊仿真分析。計算時，L值選取范圍為8～13 mm，每間隔0.5 mm取一計算點，共計11個點。為了保證不同長度的鋼刺仿真結果具有可對比性，鋼刺材料均選用6061-T6。

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

圖10 σ1隨鋼刺長度L變化曲線

圖11 σ2隨鋼刺長度L變化曲線

4 雙排鋼刺撞擊鋼板仿真分析

在揮動警棍擊打目標時，通常有兩種可能性：一種為單排鋼刺撞擊目標，如圖12所示；另一種為雙排鋼刺撞擊目標，如圖13所示。針對雙排鋼刺撞擊鋼板時的應力進行分析，對比單排與雙排擊打目標的作用效果。

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似，不同點為單排鋼刺與鋼板撞擊時為7個接觸點，而雙排共計14個接觸點。仿真時對鋼板地面進行約束，警棍施加大小為5 m/s的初速度撞擊鋼板，撞擊時間為10-5s。警棍所有材質均選用6061-T4，鋼刺長度L=11 mm。網格單元類型采用與單排相同。建模完成后的網格如圖14所示。

圖14 雙排鋼刺撞擊網格示意圖

為了更好地觀察鋼刺受力變形情況，應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力值為185.45 MPa，并且發(fā)生于鋼刺前端。

圖15 連桿及鋼刺應力分布云圖

提取鋼板撞擊點處的最大Mises應力σ1、鋼刺上的最大Mises應力σ2，具體如表3所示，可以發(fā)現雙排鋼刺撞擊時的σ2較單排下降31.3%，而σ1較單排提高了45.6%。因此在面對普通目標時使用雙排擊打，不僅可以降低針刺撞機強度，還可有效提高警棍使用壽命。在擊打危險目標時，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力表

5 結論

本文設計了一種針對不同任務需要可進行攻擊力調整的新型伸縮狼牙警棍。對警棍的抗沖擊能力這一重要性能指標，通過建立模型開展一系列仿真分析，得到以下結論：①單排鋼刺擊打目標時鋼刺前端應力最大，目標撞擊點處應力呈中心放射狀減小，并且棍體、連桿等位置處均會產生沖擊變形；②TC4材料所制狼牙警棍鋼刺具有更高的攻擊力及更長的使用壽命；③在不超過材料的屈服強度時，為獲得更高的攻擊力可盡量增大鋼刺長度；④面對普通目標時使用雙排鋼刺擊打目標以提高警棍壽命，在擊打危險目標時盡量采用單排鋼刺擊打目標以獲得最大攻擊力。