典型回轉閉鎖自動機開鎖過程動強度數(shù)值分析

牟奧敏，徐 誠，唐劉建，楊宇召

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

【裝備理論與裝備技術】

典型回轉閉鎖自動機開鎖過程動強度數(shù)值分析

牟奧敏，徐 誠，唐劉建，楊宇召

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

在設計自動武器時，往往重視閉鎖時期零部件的強度而忽視開鎖階段慣性力和碰撞力引起的動強度。針對某槍械回轉閉鎖機構關鍵部件在開鎖過程中相關零件斷裂問題，采用數(shù)值分析的方法，建立了槍機、槍機框、開閉鎖導柱、擊針等零部件開鎖過程的慣性應力和撞擊應力計算模型。基于仿真結果分析了自動機零部件強度薄弱處的等效動應力情況，為該自動機部件結構的改進提供了理論依據(jù)以及數(shù)據(jù)支撐，也為類似自動機動強度研究提供了分析方法。

自動機強度；數(shù)值模擬；慣性應力；閉鎖機構

自動機零部件的動強度是槍械設計需要重點考慮的問題，在自動機的諸機構中，開閉鎖機構的強度設計尤其重要。回轉閉鎖機構是槍械常采用的閉鎖機構，在對其機構進行設計時，常常重視閉鎖時期閉鎖支撐面的強度，忽視開鎖階段慣性力和撞擊力引起的動強度。其主要原因是閉鎖支撐面載荷確定和強度校核較為簡單，開鎖階段慣性載荷和撞擊力確定非常復雜，動強度校核較為困難。近年來，由于非線性有限元的發(fā)展，使得進行回轉閉鎖機構開鎖過程動應力和動強度的計算成為可能。

非線性有限元方法已在槍械行業(yè)應用。鄒衍等[1]建立了拉機柄在復進過程中受力瞬態(tài)彎曲變形的有限元模型，對實驗結果和數(shù)值計算結果進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)該有限元模型可以有效地模擬實驗中碰撞產(chǎn)生的最大應變；王永娟等[2]建立了考慮由熱載荷和壓力載荷共同影響的某小口徑槍械彈殼彈膛系統(tǒng)的數(shù)學和物理模型，采用非線性有限元法數(shù)值分析獲得了彈殼、彈膛系統(tǒng)在瞬態(tài)熱載荷和瞬態(tài)壓力載荷同時作用下彈殼、彈膛系統(tǒng)熱應力特性；劉國慶等[3]建立狙擊步槍彈頭擠進過程有限元計算模型，分析仿真結果得到了多組坡膛錐角與擠進力間的關系，揭示了狙擊步槍彈擠進力的作用機理；景銀萍等[4]應用大型有限元分析軟件對某自動武器的擊發(fā)過程進行動態(tài)仿真,得出該自動武器可靠擊發(fā)時擊針需要具有的能量和速度；張克等[5]使用ABAQUS有限元分析軟件,建立起了包含彈殼彈膛系統(tǒng)、遷移式自動機系統(tǒng)的全槍有限元模型，對關鍵部件進行了強度與剛度分析。但是，關于回轉閉鎖機構開鎖過程的動強度數(shù)值計算，未見有公開報道。

本文結合實彈射擊中自動機關鍵部件的破損問題，應用LS-DYNA有限元分析軟件建立與之對應的有限元模型[6]、[7]，再現(xiàn)了開鎖瞬間，自動機各部件發(fā)生突然運動和接觸碰撞時的受力情況。數(shù)值計算獲得的危險部位與實驗破損情況的一致性較好，從而驗證了數(shù)值方法的可行性和有效性。在此基礎上，進一步分析可能強度薄弱部位的等效動應力大小，給該自動機部件結構的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 典型回轉閉鎖自動機開鎖數(shù)值計算模型

1.1 開鎖過程簡述

某槍械回轉閉鎖自動機開鎖過程[8-9]如圖 1所示。在開鎖自由行程的起點(圖 1(a))，火藥氣體壓力通過活塞作用于槍機框的前端面，槍機框在火藥氣體壓力的作用下向后運動；槍機框中的開閉鎖螺旋槽帶動開閉鎖導柱與槍機轉動；在開鎖行程的終點，槍機框以6 m/s的速度與開閉鎖導柱發(fā)生碰撞(該速度由高速攝影測得)，開閉鎖導柱與槍機以3 rad/s的速度順時針自轉；此時，槍機的閉鎖突榫由于自轉而與節(jié)套的閉鎖支撐面解脫，槍機與開閉鎖導柱在接觸力和碰撞力的作用下與槍機框一起后坐。在開鎖行程的終點，槍機框撞擊開閉鎖導柱，該碰撞力可能造成槍機框與開閉鎖導柱相關部位破損；開閉鎖導柱在接觸力和碰撞力的作用下帶動槍機突然運動，開閉鎖導柱與槍機之間的相互作用力可能造成開閉鎖導柱與槍機相關部位破損。本文針對開鎖行程終點時刻自動機各零部件的運動特性建立數(shù)值計算模型，重點關注開鎖過程和開鎖行程終點自動機各相關零部件之間的慣性力與碰撞力的作用，研究自動機各相關零部件的破損情況。

1.2 有限元模型

建立自動機部件在開鎖行程終點瞬間，槍機框撞擊開閉鎖導柱帶動槍機后坐時刻的有限元模型，在對數(shù)值模擬結果影響不大的情況下對幾何模型進行簡化，以提高計算效率。模型各部分名稱見圖2。為了提高計算效率，將槍機框與仿真結果影響不大的部分略去，以質量補償模塊取代。自動機部件皆采用四面體網(wǎng)格模型。采用*INITIAL_VELOCITY_GENERATION關鍵字賦予槍機框6 m/s的初始速度(該初始速度由高速攝影所得，為槍機框開鎖行程終點的真實速度)；由于開閉鎖螺旋槽的存在，槍機與開閉鎖導柱相對于槍機框轉動，根據(jù)開閉鎖螺旋槽的角度，計算出槍機與開閉鎖導柱相對槍機框的轉速3 rad/s，并采用*INITIAL_VELOCITY_GENERATION關鍵字賦予槍機與開閉鎖導柱；各個部件之間采用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SERFACE定義接觸，該接觸類型適用于可以預見的兩表面之間的接觸。

圖2 自動機部件有限元模型

1.3 材料模型

自動機部件采用JOHNSON_COOK材料模型[10]和GRUNEISEN狀態(tài)方程描述其材料特性。該模型綜合考慮了材料的應變強化、應變率效應和熱軟化效應，特別適合模擬金屬材料在高加載率下的動態(tài)響應。自動機部件材料模型參數(shù)如表1所示。

質量補償材料也采用表 1所列的材料參數(shù)數(shù)據(jù)，但材料密度不同，保證槍機框的總質量與幾何模型修改之前相等。

表1 自動機部件材料參數(shù)

2 數(shù)值結果分析

借助仿真結果，可以方便的再現(xiàn)該槍械開鎖行程各零部件碰撞的過程，獲得開鎖過程中自動機各部件不同時刻、不同位置時的等效動應力。

2.1 槍機動應力變化情況

槍機在不同時刻的von Mises應力云圖如圖3。在槍機與開閉鎖導柱配合處的von Mises應力明顯比槍機其他區(qū)域要大，故該處是槍機上強度薄弱的區(qū)域。槍機在仿真全過程的最大應力為1200MPa左右，最大應力出現(xiàn)在槍機與開閉鎖導柱配合的圓孔位置。結合材料的屈服極限，由仿真結果可推斷該處網(wǎng)格單元可能已經(jīng)屈服。

圖3 槍機von Mises應力云圖

該槍械在五連發(fā)射擊試驗過程中，存在槍機斷裂的情況。槍機斷裂圖如圖4。從圖中可以看出，槍機與開閉鎖導柱配合處圓孔發(fā)生斷裂，實際斷裂截面與理論強度最薄弱截面存在一個偏角。存在偏角的原因是槍機有自轉；仿真結果中，高應力單元的分布也存在一個偏角。對比仿真所得應力云圖與實彈射擊試驗中槍機的斷裂情況，仿真結果顯示的危險截面與實際結果吻合較好，所得仿真結果具有實際參考價值。

槍機斷裂處選定單元的等效動應力(von Mises應力)隨時間的變化曲線如圖5所示。開閉鎖導柱與槍機的碰撞發(fā)生在第20 μs，碰撞發(fā)生后等效應力開始攀升，經(jīng)過大概15 μs的時間，等效動應力達到最大值1 200 MPa，然后以1 200 MPa保持大約10 μs左右的時間。此后等效動應力開始下降到800 MPa左右，然后重新攀升到1 200 MPa左右，之后等效動應力開始下降，最低時為50 MPa左右，然后等效應力值繼續(xù)有一個回升。從等效應力數(shù)值的變化可以看出，開鎖行程終點槍機與開閉鎖導柱應該有多次的碰撞，在30 μs到75 μs的時間段內，等效動應力的數(shù)值都處于800 MPa以上。

圖4 槍機斷裂圖

圖5 槍機斷裂處選定單元的von Mises應力隨時間變化曲線

2.2 槍機框動應力變化情況

槍機框部件的von Mises應力云圖如圖6。不難發(fā)現(xiàn)，槍機框上存在三處危險部位。危險部位1是開閉鎖導柱與槍機框發(fā)生碰撞的位置；危險部位2是直接受碰撞所產(chǎn)生的應力波沖擊的位置；危險部位3是槍機框上厚度最薄的位置，撞擊產(chǎn)生的應力波傳播到此處也可能破壞此處結構。從理論上分析，這三處也是最可能發(fā)生塑性變形的位置。

該槍械在五連發(fā)射擊試驗過程中，發(fā)現(xiàn)槍機框上有些位置出現(xiàn)了裂紋。圖7為其中一處裂紋的照片，該處裂紋出現(xiàn)在危險部位1與危險部位2的連線上。危險部位3處也有裂紋出現(xiàn)，但是裂紋較細，無法在圖片中顯示。對比仿真結果與槍機框實彈射擊后的裂紋情況，二者結果能較好的吻合，所得仿真結果具有實際參考價值。

槍機框危險部位選定單元von Mises應力隨時間變化曲線如圖8。A單元von Mises應力的最大值為780 MPa，這個值是三個單元中最大的，該應力數(shù)值與屈服極限非常接近；B單元von Mises應力的最大值與C單元的von Mises應力最大值差不多大，都為590 MPa左右。相對于槍機上的von Mises應力，槍機框上的von Mises應力情況要稍好一些，最大von Mises應力在材料屈服極限之內。由于每一發(fā)彈的裝藥量存在差別，個別槍彈在發(fā)射時所產(chǎn)生的膛壓可能比一般情況要大，導致槍機框的開鎖速度變大產(chǎn)生裂紋。

圖6 槍機框von Mises應力云圖

圖7 槍機框裂紋

圖8 槍機框危險部位選定單元von Mises應力 隨時間變化曲線

2.3 開閉鎖導柱動應力變化情況

開閉鎖導柱不同時刻的應力云圖如圖9。從圖中可以看出，開閉鎖導柱應力較大的位置為開閉鎖導柱與槍機框碰撞部位，該部位有可能存在塑性變形。經(jīng)實彈射擊后，開閉鎖導柱沒有出現(xiàn)斷裂或存在裂紋的情況，但是開閉鎖導柱上出現(xiàn)一條撞擊紋路與仿真結果中的高應力單元分布區(qū)域相吻合。開閉鎖導柱危險部位選定單元von Mises應力隨時間變化曲線如圖11所示。從圖中可以看出，選定單元的最大應力為800 MPa左右，達到材料的屈服極限所以該處有可能存在塑性變形，是危險部件。

圖9 開閉鎖導柱von Mises應力云圖

圖10 實彈射擊后的開閉鎖滾柱

圖11 開閉鎖導柱危險部位選定單元von Mises應力 隨時間變化曲線

3 結論

建立了本回轉閉鎖自動機開鎖過程有限元計算模型，計算獲得的零部件危險部位與實彈射擊零部件破損情況基本一致，驗證了模型的正確性。數(shù)值計算表明，開鎖過程中槍機最大動應力出現(xiàn)在與開閉鎖導柱配合的圓孔處，在第40 μs時達到最大應力值，為1 200 MPa；槍機框最大動應力出現(xiàn)在槍機框與開閉鎖導柱直接碰撞的部位，在第65 μs時達到最大應力值，為780 MPa；開閉鎖導柱最大動應力出現(xiàn)在與槍機框碰撞的部位，在第75 μs時達到最大應力值，為800 MPa。本文計算揭示了該回轉閉鎖自動機開鎖過程關鍵部件的損壞機理，為該自動機零部件結構改進提供了科學依據(jù)，也為類似自動機開鎖過程動強度研究提供了分析方法。

[1] ZHOU Yan,WANG Yaping,LUO Shaomin,et al.Experiment and numerical research of transient response under Inertia effect of firearm cocking handle[C]//2015 2nd International Conference on Simulation and Methodologies,Technologies and Applications(SMTA 2015).

[2] 王永娟,趙軍,唐竹秀.壓力載荷與溫度場作用下彈殼彈膛系統(tǒng)的動態(tài)響應[J].兵工學報,2010,31(6):669-673.

[3] 劉國慶,徐誠.狙擊步槍彈準靜態(tài)彈頭擠進力研究[J].兵工學報,2014,35(10):1528-1535.

[4] 景銀萍,楊臻.有限元仿真在槍械擊發(fā)中的應用[J].機械工程與自動化,2007(3):48-49.

[5] 張克,袁點.微后坐沖鋒槍全槍有限元仿真研究[J].四川兵工學報,2015,36(12):1-5.

[6] 白金澤.LS-DYNA3D理論基礎與實例分析[M].北京:科學出版社,2005.

[7] 趙海歐.LS-DYNA動力分析指南[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2003.

[8] 王裕安,徐萬和,薄玉成.自動武器構造[M].北京:北京理工大學出版社,1994.

[9] 歐學炳，殷仁龍，王學顏.自動武器結構設計[M].北京：北京理工大學出版社，1994.

[10] JOHNSON G R,COOK W H.A constitutive model and data for metals subjected to large strains,high strain rates and high temperature[C]//Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics.Hague,Netherlands:IBC,1983:541-526.

(責任編輯周江川)

NumericalAnalysisofDynamicStrengthofTurningBlockAutomaticMechanismatUnlockingTime

MOU Aomin, XU Cheng, TANG Liujian, YANG Yuzhao

(School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094, China)

Turning block automatic mechanism spare parts are important parts of turning block automatic weapon，and they require a high safety factor. During the design of an automatic weapon，more importance has been attached to the strength of the spare parts at locking time，but the dynamic strength problems caused by inertia force and impact force during unlocking time often were ignored. Aimed at the problem that a firearm turning block mechanism’s key component fractured at the locking time, a computational model is built by using numerical analysis method to compute inertia force and impact force of action, action frame, lock and unlock column, firing pin during locking time. Based on simulation results, the equivalent dynamic stress of the weak parts of automatic mechanism spare parts has been obtained. The results of the simulation can provide theoretical basis and data support for the improvement of the automatic mechanism spare parts’ structure.

automatic mechanism’s strength; numerical analysis; inertia force; locking mechanism

2017-03-29；

：2017-05-06

：企業(yè)合作項目

牟奧敏(1992—)，男，碩士研究生，主要從事自動武器數(shù)值模擬研究。

徐誠(1962—)，男，博士，教授，南京理工大學機械工程學院博士生導師，輕武器學會副主任委員、兵工學報編委。

10.11809/scbgxb2017.09.011

format:MOU Aomin, XU Cheng, TANG Liujian, et al..Numerical Analysis of Dynamic Strength of Turning Block Automatic Mechanism at Unlocking Time[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):53-57.

TJ23

：A

2096-2304(2017)09-0053-05

本文引用格式：牟奧敏，徐誠，唐劉建，等.典型回轉閉鎖自動機開鎖過程動強度數(shù)值分析[J].兵器裝備工程學報，2017(9):53-57.