射擊過程中身管溫度升高對(duì)射擊準(zhǔn)確度的影響

藍(lán)維彬,楊 臻,龍建華,薛 鈞

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.重慶建設(shè)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,重慶 400054;3.中國兵器工業(yè)第208研究所,北京102202)

槍管在工作中要承受高溫、高壓、高速氣體的沖擊,在火藥燃?xì)獾淖饔孟缕鋬?nèi)壁溫度不斷升高,并向外壁傳遞熱量而使整個(gè)槍管溫度上升。而溫度的變化會(huì)導(dǎo)致槍管材料力學(xué)性能發(fā)生改變,不僅會(huì)使槍管在射擊中發(fā)生彎曲變形,改變射角;還會(huì)影響彈丸擠進(jìn)過程,使初速發(fā)生變化。因此,研究溫度的影響對(duì)揭示步槍熱偏問題具有重要意義。

目前該領(lǐng)域的研究主要是采用試驗(yàn)方法。朵英賢院士曾對(duì)此提出質(zhì)疑,認(rèn)為試驗(yàn)法耗彈量過大且仍未得到有效解決熱偏問題的要領(lǐng)[1]。在理論研究方面,文獻(xiàn)[2]研究了某狙擊步槍準(zhǔn)靜態(tài)彈頭擠進(jìn)力,建立了數(shù)值仿真模型,推導(dǎo)了擠進(jìn)力的理論計(jì)算公式,得出了狙擊步槍彈擠進(jìn)過程與彈/槍參數(shù)匹配機(jī)理;文獻(xiàn)[3]針對(duì)依靠觀察和實(shí)驗(yàn)難以解決的彈丸在槍管擠進(jìn)過程中帶有過盈摩擦大變形接觸的難題,建立了彈丸擠進(jìn)槍管的有限元模型,分析了擠進(jìn)前后彈頭殼和鉛芯的變形特征及擠進(jìn)結(jié)束后彈丸的殘余應(yīng)力;文獻(xiàn)[4]將有限元與數(shù)值仿真分析相結(jié)合,得出某大口徑機(jī)槍滿足彈頭初速條件的坡膛角度取值和彈丸擠進(jìn)阻力的變化規(guī)律;文獻(xiàn)[5]考慮了高速擠進(jìn)過程中應(yīng)變率對(duì)彈丸材料的影響。文獻(xiàn)[6-7]通過非線性熱力學(xué)研究了火炮身管在溫度場作用下的彎曲變形。

上述研究大部分是針對(duì)常溫下彈丸的擠進(jìn)過程及身管的彎曲變形,并未系統(tǒng)綜合研究溫度對(duì)射擊準(zhǔn)確度的影響。本文以國產(chǎn)某小口徑步槍為研究對(duì)象,從實(shí)驗(yàn)、理論和仿真3個(gè)方面研究小口徑步槍在冷槍和熱槍2種射擊狀態(tài)下平均彈著點(diǎn)偏差,為提高射擊精度提供理論依據(jù)。

1 步槍熱偏實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

研究對(duì)象為2支國產(chǎn)某小口徑步槍及2種不同廠家的試驗(yàn)槍彈,分別標(biāo)1#槍、2#槍,1#彈、2#彈。試驗(yàn)槍固定夾持在距地面1 m的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,對(duì)100 m胸環(huán)靶進(jìn)行試驗(yàn)射擊。

射擊規(guī)則:先進(jìn)行20發(fā)單發(fā)精度射擊,求出冷槍狀態(tài)下的平均彈著點(diǎn)偏差,隨后進(jìn)行150發(fā)的無冷卻射擊,單發(fā)、點(diǎn)射、連發(fā)射彈量分別為10%,70%,20%;再進(jìn)行20發(fā)單發(fā)精度射擊,求出熱槍狀態(tài)下平均彈著點(diǎn)偏差。

射擊方法:本次試驗(yàn)共4輪射擊,第1輪用1#槍射擊1#彈,第2輪用1#槍射擊2#彈,第3輪用2#槍射擊1#彈,第4輪用2#槍射擊2#彈。

1.2 槍管溫度測試

每一輪射擊150發(fā)彈后空冷3 min,測槍管外壁溫度,單發(fā)、點(diǎn)射(3～5發(fā))、連發(fā)分別占射彈量的10%,70%,20%,射擊間隔1～2 s。射擊完成后對(duì)步槍槍管進(jìn)行紅外測溫,測出每一輪射擊過程中不同射彈數(shù)r對(duì)應(yīng)的槍管外壁溫度Tt如表1所示。

表1 射擊過程槍管溫度

1.3 熱槍平均彈著點(diǎn)與冷槍平均彈著點(diǎn)偏差測試

對(duì)100 m胸環(huán)靶進(jìn)行射擊,分別測出冷槍和熱槍時(shí)期平均彈著點(diǎn)偏差Δ,如表2、表3所示。

表2 1#槍平均彈著點(diǎn)偏差

表3 2#槍平均彈著點(diǎn)偏差

由射擊試驗(yàn)可看出,發(fā)射1#試驗(yàn)彈測量的槍管溫度較發(fā)射2#試驗(yàn)彈高,熱偏也比發(fā)射2#試驗(yàn)彈明顯,則有初步結(jié)論,即溫度對(duì)射擊精度有一定的影響。

2 身管熱彎曲及彈丸出膛口姿態(tài)分析

2.1 身管熱彎曲分析

本文以某小口徑步槍身管為研究對(duì)象進(jìn)行熱力耦合分析,在此基礎(chǔ)上建立身管的三維有限元模型,如圖1所示。

圖1 仿真分析模型

由文獻(xiàn)[8-9]可知,身管材料力學(xué)性能隨溫度的變化而變化。身管材料性質(zhì)如彈性模量E、泊松比μ、導(dǎo)熱系數(shù)λ、熱膨脹系數(shù)β及比熱容c隨溫度T的變化如表4所示。

表4 身管材料機(jī)械性能參數(shù)

身管材料溫度上升后,其強(qiáng)度與剛度將會(huì)下降,其他熱物理特性也會(huì)隨之改變。在重力和其他等效外載荷作用下,身管將產(chǎn)生不同的彎曲。

仿真計(jì)算時(shí)首先求出冷槍狀態(tài)下射擊時(shí)身管彎曲量,再將150發(fā)后實(shí)驗(yàn)測量的外壁溫度平均值施加于身管上,求出熱槍狀態(tài)下身管彎曲量。仿真結(jié)束后,身管沿軸線距膛底不同距離x處所對(duì)應(yīng)的彎曲量W如表5所示,身管熱彎曲云圖如圖3所示。

表5 身管沿軸線彎曲量變化

圖2 身管熱彎曲云圖

2.2 彈丸姿態(tài)分析

如圖3所示,α為彈丸質(zhì)心與發(fā)射原點(diǎn)的夾角,用以說明彈丸在膛口的姿態(tài);β為槍管膛口位置與水平軸線的夾角,用以說明射角的改變量。

當(dāng)槍管受熱彎曲之后,射角增大;同時(shí)彎曲的槍管也使彈丸在出膛口時(shí)彈軸與槍管軸線不在同一直線上而影響彈丸的飛行軌跡。

圖3 射擊示意圖

根據(jù)簡支梁彎曲變形方程[10],結(jié)合上述仿真計(jì)算結(jié)果可以計(jì)算出冷槍狀態(tài)下α1=0.000 07°,β1=0.000 45°;熱槍狀態(tài)下α2=0.000 35°,β2=0.000 59°。

3 彈丸擠進(jìn)過程分析計(jì)算

對(duì)于槍械,當(dāng)槍彈以整個(gè)彈丸圓柱面全部擠進(jìn)膛線時(shí),擠進(jìn)過程完成。彈丸的擠進(jìn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,由于擠進(jìn)過程很短,因此采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)對(duì)擠進(jìn)過程進(jìn)行分析。

3.1 擠進(jìn)模型的建立

對(duì)于彈丸擠進(jìn)問題的研究,主要研究對(duì)象為銅被甲和槍管。建立該型步槍的彈丸與槍管結(jié)構(gòu)尺寸三維模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型以六面體縮減積分線性實(shí)體單元為主,有限元分析模型如圖4所示。

圖4 槍管膛線及彈丸被甲網(wǎng)格劃分

為了得到不同溫度下的彈丸擠進(jìn)壓力,以整個(gè)彈丸圓柱面全部擠進(jìn)膛線為研究過程,身管可以取對(duì)彈丸變形產(chǎn)生作用最明顯的位置,彈丸的外殼材料為黃銅,中間套鉛套,最里層為鋼芯。相關(guān)材料的密度ρ、彈性模量E、泊松比μ、屈服強(qiáng)度σf和極限強(qiáng)度σs如表6所示。

表6 彈丸材料機(jī)械性能參數(shù)

3.2 彈丸擠進(jìn)過程的仿真計(jì)算

擠進(jìn)過程是以彈丸圓柱面全部擠進(jìn)坡膛為結(jié)束標(biāo)志。擠進(jìn)坡膛歷時(shí)極短,為了排除其他力對(duì)擠進(jìn)的影響,將彈丸位移載荷施加于彈丸,設(shè)置槍管外表面為固定約束,接觸類型定義為通用接觸。本節(jié)利用非線性熱力學(xué)分別對(duì)冷槍及熱槍狀態(tài)下彈丸擠進(jìn)過程進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.2.1 彈丸被甲應(yīng)力分析

當(dāng)連發(fā)射擊時(shí),槍管溫度急劇升高,槍彈裝填后彈丸被甲與槍管內(nèi)壁接觸后發(fā)生熱傳導(dǎo)使彈丸被甲表面溫度升高,表7為不同被甲材料溫度T′對(duì)應(yīng)的被甲材料的彈性模量E與屈服強(qiáng)度σf。

表7 不同溫度下被甲材料的力學(xué)性能

在彈丸擠進(jìn)過程中,被甲材料處于屈服或流動(dòng)狀態(tài),被逐漸推到后方,接觸面積將逐漸增大,陽線會(huì)在彈體表面留下刻痕。因此,需要對(duì)被甲強(qiáng)度進(jìn)行分析。選取彈丸上的一條完整的膛線刻痕,分別取彈丸圓柱部前端和后端某處,記錄各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力σ變化情況,仿真計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 冷槍狀態(tài)下膛線刻痕應(yīng)力分布云圖

圖6 熱槍狀態(tài)下膛線刻痕應(yīng)力分布云圖

不同位置,被甲表面的應(yīng)力分布不同,由圖7可知,彈丸圓柱部前端先擠入坡膛,彈丸圓柱部前端被甲表面應(yīng)力變化先于后端。熱槍狀態(tài)下槍管溫度升高,由表4可知槍管彈性模量和屈服強(qiáng)度減小,擠進(jìn)時(shí)較冷槍時(shí)容易。

圖7 被甲表面應(yīng)力曲線

3.2.2 擠進(jìn)阻力分析

利用被甲表面應(yīng)力分析,可以獲得彈丸表面應(yīng)力分布規(guī)律。為了進(jìn)一步研究溫度場與擠進(jìn)力之間的關(guān)系,以槍管內(nèi)膛為研究對(duì)象,分析坡膛位置在冷槍和熱槍狀態(tài)下應(yīng)力分布變化,如圖8～圖10所示,進(jìn)而得出擠進(jìn)阻力的變化。

由于擠進(jìn)過程中槍管與被甲直接接觸,分析時(shí)可將彈丸對(duì)槍管作用的軸向力近似看作彈丸所受的擠進(jìn)阻力。由圖8～圖10可知,坡膛陽線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的主要作用是使彈丸旋轉(zhuǎn),因此陽線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)所受應(yīng)力較另一側(cè)大;而冷槍時(shí)的材料機(jī)械性能較熱槍時(shí)有了一定的改變,因此內(nèi)膛整體應(yīng)力冷槍較熱槍更大。將槍管各處應(yīng)力進(jìn)行合成,從而得到槍管所受彈丸的作用力,進(jìn)一步得到彈丸的擠進(jìn)阻力F隨時(shí)間的變化規(guī)律,如圖11所示。

圖8 坡膛某處表面應(yīng)力曲線

圖9 冷槍坡膛某處表面應(yīng)力分布云圖

圖10 熱槍坡膛某處表面應(yīng)力分布云圖

圖11 擠進(jìn)阻力隨時(shí)間變化曲線

由圖11所示的不同時(shí)期擠進(jìn)阻力曲線可知,擠進(jìn)阻力受溫度及材料力學(xué)性能的影響,熱槍的擠進(jìn)阻力明顯小于冷槍。在忽略擠進(jìn)加速度的情況下,擠進(jìn)壓力可近似等于擠進(jìn)阻力與槍膛橫截面積的比值。

3.3 內(nèi)彈道過程彈丸速度與轉(zhuǎn)速分析

按3.2.2中計(jì)算得出的擠進(jìn)阻力,可求出擠進(jìn)壓力分別為冷槍狀態(tài)下29.5 MPa、熱槍狀態(tài)下24.6 MPa。通過經(jīng)典內(nèi)彈道方程組可求出彈丸初速,進(jìn)而得到冷槍、熱槍狀態(tài)下內(nèi)彈道時(shí)期彈丸的速度v和轉(zhuǎn)速ω,如圖12、圖13所示。

圖12 彈丸速度

圖13 彈丸轉(zhuǎn)速

由圖12、圖13可知,槍管溫度升高使彈丸初速與出膛口的轉(zhuǎn)速下降,較高的初速使彈道形狀受重力的影響越小,彈道曲線相對(duì)平直,彈丸偏移量相對(duì)較小,彈丸轉(zhuǎn)速越高,其飛行穩(wěn)定性越好。

4 外彈道對(duì)彈著點(diǎn)的影響

通過第2節(jié)的分析可以得出冷槍、熱槍狀態(tài)下槍管熱彎曲及彈丸出膛口的姿態(tài),進(jìn)而得出射角的理論值。

將所求得的彈丸初速、射角代入外彈道方程組。彈丸在自身重力作用下的飛行軌跡如圖14所示,圖中,Δy1,Δy2分別為冷槍、熱槍的射擊偏差。

由于質(zhì)點(diǎn)外彈道方程忽略了彈丸形狀的影響,因此,只考慮空氣阻力和重力。通過外彈道方程求出彈丸100 m處彈著點(diǎn)。

圖14 彈道曲線示意圖

通過理論分析和仿真計(jì)算可以得出:冷槍時(shí)彈著點(diǎn)偏差為7.21 cm,實(shí)驗(yàn)測量冷槍彈著點(diǎn)偏差平均值為6.7 cm,誤差為7.6%;熱槍時(shí)彈著點(diǎn)偏差為10.26 cm,實(shí)驗(yàn)測量熱槍時(shí)彈著點(diǎn)偏差平均值為9.2 cm,誤差為11.5%。冷槍、熱槍偏差與實(shí)測值基本吻合。

5 結(jié)論

本文以某小口徑步槍為研究對(duì)象,進(jìn)行了熱偏試驗(yàn),同時(shí)建立槍管熱-結(jié)構(gòu)耦合分析模型,通過理論分析和仿真計(jì)算,得到如下結(jié)論:

①槍管材料溫度越高,則擠進(jìn)力越小,主要原因是材料溫度上升,彈性模量和屈服強(qiáng)度下降,擠進(jìn)時(shí)彈丸與膛面接觸壓力變小,擠進(jìn)阻力較低溫時(shí)更小。

②槍管溫度越高,其材料機(jī)械性能改變程度越大,同樣大小的外載荷作用下,熱槍較冷槍狀態(tài)下身管彎曲量大。

③彈丸擠進(jìn)力的大小對(duì)步槍的射擊精度有較大影響,擠進(jìn)力影響彈丸的膛口速度。根據(jù)內(nèi)彈道方程組可知,擠進(jìn)壓力越大,初速越高。相同條件下,彈丸初速越高外彈道越平直。

本文重點(diǎn)研究槍管溫度變化導(dǎo)致的平均彈著點(diǎn)偏差的變化,通過理論分析、仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測試,得出槍管溫度場對(duì)射擊準(zhǔn)確度產(chǎn)生較大影響,為提出抑制措施提供了重要參考。

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