某機槍威力綜合考核仿真研究

苑大威，李曉寅，郭 施，邊江楠，聶為彪

(1.瞬態沖擊技術重點實驗室, 北京 102202； 2.中國兵器工業第208研究所, 北京 102202；3.中國兵器工業標準化研究所, 北京 100089； 4.北京航空工程技術研究中心, 北京 100076；5.中國艦船研究院, 北京 100101)

威力一直作為槍械和槍彈設計的重要指標，以某小口徑機槍為例，目前威力考核試驗主要是在平射狀態下規定射程處侵徹鋼板+松木板，然后統計穿透率，100%為合格。該考核方法射擊狀態單一，無法綜合考核槍彈在機槍俯仰射時對靶板的穿透情況。因此，尚缺乏兼顧射擊狀態的威力考核方法。

本文以某小口徑機槍為例，威力考核試驗是在平射狀態下侵徹1 000 m處2 mm厚50冷軋鋼板+3層25 mm松木板，根據質點彈道方程計算槍彈落點速度和姿態，然后利用ANSYS/LS-DYNA軟件[1]對其威力進行仿真分析，分析俯仰射狀態下的靶標的穿透情況，為槍械槍彈威力[2]的綜合考核提供了一條新思路。

1 槍彈威力綜合考核技術方案

該機槍威力試驗考核結果為：槍彈平均初速930 m/s，1 000 m射程處平均速度為346 m/s，此處2 mm厚50冷軋鋼板+3層25 mm松木板的穿透率為100%，彈頭的銅被甲和鉛套部分破碎在靶板前，只有鋼芯穿透靶板。

以該機槍威力考核結果為參考，建立平射狀態仿真模型，為了反映穿透率，須考慮彈頭初速的隨機特性，初速誤差來源于影響內彈道的裝藥量、彈重、藥室容積、啟動壓力等隨機因素，通過融入隨機內彈道方程計算獲得彈頭初速的分布情況，提取初速極小值用于外彈道計算1 000 m射程處彈頭速度與落角，然后將彈頭速度與落角用于彈頭侵徹靶板仿真輸入，最后求解計算穿透情況，如圖1所示。

對于平射(射角0°～2°)、仰射(射角>10°)、俯射(射角<0°)三種射擊狀態下，射角不變時初速大小與落角大小成單調遞減關系，也就是說初速越大，1 000 m射程處速度越大，落角越小，越容易穿透靶板。

因此取初速極小值時，如果彈頭能穿透靶板，即可認為穿透率100%。

圖1 威力考核仿真分析框圖

2 槍彈威力仿真建模

2.1 彈頭初速誤差分析

彈頭初速直接影響侵徹深度，計算穿透率需考慮彈頭初速誤差，彈頭初速誤差主要來源于影響內彈道的隨機因素，包括：裝藥量、彈重、藥室容積、啟動壓力，各參數值參見表1。將這些隨機量融入內彈道方程，建立隨機內彈道數學模型，設成隨機變量x服從x～N(μ，σ2)正態分布，概率密度函數為：

(1)

表1 內彈道隨機變量參數

則隨機量正態分布概率模型可用x=σ+μ得到，利用生成1 000組各變量隨機數的組合。作為隨機內彈道仿真的輸入，求解得到如圖所示最大膛壓及彈頭初速的隨機分布如圖2，彈頭初速均值932 m/s，標準差18 m/s，初速極小值916 m/s。

(2)

圖2 初速隨機分布圖

2.2 1 000 m射程處與落角計算

根據槍彈運動方程組(如下式)，用四階龍格庫塔方法解算微分方程[3]，并用 C++builder軟件開發建立解算程序。

(3)

在質點外彈道程序輸入槍彈初始參數及初速極小值，計算得出平射時1 000 m射程處步槍彈落速約為330 m/s，作為有限元仿真的初速條件(見圖3～圖5)。

圖3 彈頭速度與射程關系曲線

圖4 彈頭落角與射程關系曲線

圖5 彈道高與射程關系曲線

2.3 仿真建模過程

機槍彈由鋼心、鉛套、彈頭殼三部分構成，均使用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型來描述該材料特性，機槍彈及靶板材料參數值見表2。

表2 機槍彈及鋼靶的JOHNSON_COOK材料參數值

取彈頭的整體模型進行仿真計算，步槍彈的網格模型如圖6所示。

圖6 某機槍彈的網格模型

在鋼靶中心切分直徑為20 mm圓柱體，該圓柱體內是材料的大變形區域，因此需細化網格提高計算精度。圓柱外面邊線分20段，網格大小依次增大，最小網格邊長0.18 mm，最大網格與最小網格的長度比為40，如圖7所示。將機槍彈侵徹靶標的攻角設為0.5°，狀態如圖8所示。

圖7 靶板的網格模型

圖8 機槍彈侵徹靶標狀態

2.4 仿真結果

仿真結果的穿靶效果及速度曲線如圖9，靶板完全穿透，彈頭中的被甲和鉛套全部失效，只剩下鋼芯，與試驗結果基本一致，說明該仿真模型基本可信，可用于其他情況威力仿真。

圖9 平射穿靶效果及彈頭速度曲線

3 不同射擊狀態下威力仿真考核

對于仰射狀態，1 000 m射程處彈頭速度、落角都不相同，威力會發生很大變化，同時1 000 m射程處射高位于空中位置，試驗考核難以立靶實現，而仿真方法可以較好的實現此處威力考核。

通過外彈道計算仰射狀態1 000 m射程處彈頭速度、落角，(射角大于5°時)。根據上述仿真模型調整彈頭速度與侵徹角度(落角)，計算出穿靶效果及速度曲線如圖10～圖12所示，不同射角威力情況如表3所示，當射角大于23°時，彈頭不能穿透靶標。

對于俯射狀態，不同射角威力情況如表3所示，當射角小于-15°時，彈頭不能穿透靶標。

圖10 12°射角穿靶效果及彈頭速度曲線

圖11 17°射角穿靶效果及彈頭速度曲線

表3 不同射擊狀態下1 000 m射程落速及穿靶情況

4 結論

1) 仿真分析了機槍在平射狀態下威力指標，仰射狀態，射角大于23°時，彈頭不能穿透靶標；俯射狀態，射角小于-15°時，彈頭不能穿透靶標。

2) 該方法豐富了威力考核內容，彌補了俯、仰射狀態下威力無法考核的不足。