單兵肩射武器發(fā)射筒前蓋破片后飛分析與改進(jìn)

劉成倩，陳 幫,王 健，李軍福，甘小紅

(1.中國人民解放軍駐九三七三廠軍代室， 安徽 蚌埠 233010； 2.駐南京地區(qū)軍代局，南京 210024；3.安徽省方圓機(jī)電股份有限公司， 安徽 蚌埠 233010)

前蓋固定于發(fā)射筒的前端，是武器發(fā)射系統(tǒng)研制中的重要環(huán)節(jié)。目前發(fā)射筒前蓋分為三種：機(jī)械開關(guān)蓋、爆破式前蓋和穿透式前蓋。

穿透式前蓋憑借其結(jié)構(gòu)簡單，不需開蓋，密封性強(qiáng)，易維修等特點(diǎn)，大量裝備于武器發(fā)射筒。國內(nèi)對于穿透式前蓋性能研究都已開展，如許壽彭、蔡德詠和曹蘇雅拉圖等利用仿真軟件對前蓋進(jìn)行計(jì)算，得到了前蓋破碎特性[1-3]；國外應(yīng)用如美國“戰(zhàn)斧”、英國“海鷗”、德國“羅蘭特”等[4]。

穿透式前蓋一方面要保證彈體不受影響，彈丸安全無損，外彈道穩(wěn)定，另一方面也要保證前蓋破片飛散軌道穩(wěn)定，發(fā)射筒的安全防護(hù)[5，6]。某型單兵肩射武器在打靶試驗(yàn)中，出現(xiàn)前蓋破片后飛現(xiàn)象，針對這一現(xiàn)象，從設(shè)計(jì)和安全防護(hù)角度出發(fā)，分析破片的后飛機(jī)理，并提出改進(jìn)措施，結(jié)合仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 前蓋穿透結(jié)構(gòu)

穿透結(jié)構(gòu)由彈丸、發(fā)射筒、前蓋構(gòu)成。前蓋采用鋁板材料，分12瓣，并預(yù)制了應(yīng)力槽。發(fā)射時(shí)，前蓋受到彈丸頭部撞擊，產(chǎn)生前蓋破片，破片隨著彈丸出膛向前飛散。前蓋穿透結(jié)構(gòu)如圖1所示，前蓋結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 前蓋穿透結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 前蓋結(jié)構(gòu)示意圖

2 破片后飛機(jī)理

發(fā)射時(shí)前蓋受到彈丸頭部的沖擊，軸線中心部位沿應(yīng)力槽向四周外圍撕裂翻轉(zhuǎn)成扇形卷狀，在彈丸未完全出膛時(shí)，彈丸向前蓋施加了軸向作用力，同時(shí)扇形蓋片受到根部的拉扯作用，使得扇形具有反發(fā)射方向和徑向的動量分量。若蓋片根部被彈丸牽扯拉斷，且其質(zhì)心超出變形環(huán)組件前段外邊緣時(shí)，碎片就會后飛。破片形成過程如圖3所示，破片形態(tài)和質(zhì)心位置如圖4所示。

采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對前蓋受彈丸頭部沖擊的瞬態(tài)動力學(xué)進(jìn)行仿真計(jì)算。模型由前蓋、連接環(huán)和彈丸組成。其中前蓋采用膠接(glue)命令與連接環(huán)連接為一體，模擬彈與前蓋初始間距為5 mm。前蓋、連接環(huán)和彈丸都采用八節(jié)點(diǎn)六面體solid164單元，網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行，網(wǎng)格劃分后共形成23 656個(gè)節(jié)點(diǎn)、74 100個(gè)單元和3個(gè)部件(part)。仿真模型如圖5所示。

圖3 破片形成過程

圖4 破片形態(tài)和質(zhì)心位置

圖5 前蓋與連接環(huán)、彈丸仿真模型

有限元仿真計(jì)算時(shí)前蓋為鋁合金1060A，連接環(huán)為鋁合金7A04，都采用塑性隨動硬化材料(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)模型。模擬彈為剛性體材料模型(MAT_RIGID)。后期為了防止前蓋后飛傷人試件的發(fā)生，在前蓋前端加上了防護(hù)圈，防護(hù)圈為橡膠材料，在這里為了減少計(jì)算量，設(shè)定為剛性體材料模型(MAT_RIGID)。材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

計(jì)算時(shí)前蓋與連接環(huán)、彈丸為自動普通接觸，彈的初速為130 m/s,并設(shè)定好其它求解控制參數(shù)，然后進(jìn)行求解。前蓋破碎的動態(tài)顯示，如圖6所示，顯示了不同時(shí)刻前蓋的破碎情況。

仿真結(jié)果顯示，彈與前蓋碰撞時(shí)，前蓋中心位置的預(yù)制槽先破裂，之后不斷被推開，然后中間部位的預(yù)制槽開始破裂，在1.0 ms時(shí)共計(jì)形成7片碎片，其中1片3瓣相連，3片2瓣相連和單獨(dú)3瓣，在彈的沖擊下，7片碎片后翻并與變形環(huán)相撞，最后中心圓片斷裂并往后飛，與實(shí)彈射擊試驗(yàn)過程中觀察到的中心圓片后飛的現(xiàn)象基本一致。

圖6 無防護(hù)圈前蓋破碎過程

3 改進(jìn)措施

為保證操作安全，阻止破片后飛，綜合考慮破片后飛機(jī)理后，提出增加擴(kuò)展防護(hù)圈的優(yōu)化方案，具體如下：

① 防護(hù)圈選用發(fā)泡材料制成，結(jié)構(gòu)上采用鑲嵌式粘接，以增強(qiáng)粘接強(qiáng)度；

② 優(yōu)化擴(kuò)展防護(hù)圈結(jié)構(gòu)尺寸，增強(qiáng)抗彎能力。

改進(jìn)后防護(hù)圈結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后防護(hù)圈結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)后防護(hù)圈防止前蓋碎片后飛的有效性，采用有限元仿真計(jì)算進(jìn)行分析。計(jì)算條件與材料模型與前蓋無防護(hù)圈有限元仿真相同。仿真結(jié)果如圖8所示。

計(jì)算表明，彈與前蓋碰撞時(shí)，前蓋中心位置的預(yù)制槽先破裂，之后不斷被推開，中心圓片與6瓣前蓋相連。隨著彈的前進(jìn)，中間部位的預(yù)制槽破裂不斷放大，中心圓片與最終與1瓣前蓋相連，并最終斷裂。前蓋在0.6 ms時(shí)共計(jì)形成7片碎片，其中1片3瓣相連，3片2瓣相連和單獨(dú)的3瓣，在彈的沖擊下，7片碎片后翻并與制動環(huán)和擴(kuò)展防護(hù)圈相撞，但未發(fā)生碎片后飛現(xiàn)象。

圖8 有防護(hù)圈前蓋破碎過程

4 射擊試驗(yàn)

通過射擊試驗(yàn)對改進(jìn)后防護(hù)圈的安全防護(hù)能力進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)考察防護(hù)圈的改動對武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)及性能的影響。

試驗(yàn)中發(fā)射筒采用固定炮架固定，發(fā)射時(shí)布置高速攝像機(jī)觀測前后蓋碎片飛行狀況。射擊過程破片飛散過程如圖9所示。

試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)射筒防護(hù)圈狀態(tài)如圖10所示。

圖9 破片飛散過程

圖10 試驗(yàn)后防護(hù)圈狀態(tài)

試驗(yàn)結(jié)果：通過高速攝像拍攝的破片飛行狀態(tài)，得出前蓋被擊后，破片均向前飛行，略有與防護(hù)圈碰撞現(xiàn)象，但未造成后飛，防護(hù)圈無變形，試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本吻合。進(jìn)行多輪驗(yàn)證試驗(yàn)后，均無破片后飛發(fā)生，防護(hù)圈基本完好無損。

5 結(jié)論

1) 破片由破片根部拉扯后翻轉(zhuǎn)，超過防護(hù)圈最大尺寸，產(chǎn)生后飛，結(jié)合仿真計(jì)算得到驗(yàn)證。

2) 增大拓展防護(hù)圈，并加強(qiáng)其材料硬度，通過有限元仿真和試驗(yàn)論證，得出改進(jìn)后的防護(hù)圈能有效阻止前蓋破片后飛，保證武器系統(tǒng)發(fā)射的安全可靠。