某步槍“冷熱偏”分析與研究*

蔡翹楚，楊 臻，侯文偉，藍維彬，龍建華

（1.中北大學機電工程學院，太原030051；2.重慶建設工業（集團）有限責任公司，重慶400054）

0 引言

突擊步槍是一種射速較高、射擊穩定的輕武器裝備，世界各國一直致力于研究如何提高這種武器的射擊精度。而想要提高這種槍械的設計精度首先要解決步槍的冷熱偏問題。在步槍的射擊試驗中，通常會發現，在最開始進行試驗時，步槍槍管溫度接近室溫，射彈點會分布在散布中心附近的一定區域內，而在射彈數量增加時，槍管溫度有所提升，射彈散布中心會發生偏移，即發生槍械的冷熱偏現象。槍械的冷熱偏現象對槍械在戰爭中完成任務的能力將會產生較大的影響，這直接降低了步槍的射擊準確度。而隨著全球槍械的輕量化發展，冷熱偏問題越發明顯，急需展開深入研究。

針對這一現象，美國陸軍彈道研究所針于20世紀90年代對5.56 mm突擊步槍冷熱偏問題進行了試驗和機理研究，建立了數值仿真模型并進行了槍械冷熱偏試驗。俄羅斯精密機械研究所也研究了槍族冷熱偏機理及其計算模型。

國內在該領域的研究起步較晚，目前，國內所進行的鋼材因溫度變化引起的機械性能差異的研究，主要是針對其他行業，而針對輕武器領域的研究較少［1］。在身管方面，趙金輝等人利用非線性熱力學理論對某火炮進行研究，得出了該種火炮身管在發射不同數量炮彈后的彎曲變形量和溫度場［2-3］。在槍/彈相互作用方面，劉國慶，徐誠等對某狙擊步槍準靜態彈頭擠進過程進行了研究，通過對彈丸的結構參數、彈丸材料、槍/彈的配合誤差與彈/槍參數匹配對彈丸擠進過程的影響研究，分析了以上參數對彈丸被甲所刻痕處、非刻痕處所受應力、彈丸在擠進過程中的軸向、縱向擺動角、膛內火藥燃氣壓力和槍管所受應力、溫度等的影響規律；在彈丸擠進方面，安俊斌等人對某機槍進行了試驗以及仿真計算，深入研究了該機槍彈丸擠進的過程，分析了彈丸在擠進的過程中的擺動情況［6］。

上述研究只是對單一因素進行分析研究，并沒有系統地研究溫度對于小口徑步槍的冷熱偏現象。因此，本文以某小口徑步槍作為研究對象，通過ABAQUS軟件進行有限元仿真分析，并與步槍的冷熱偏實驗結果進行對比，深入研究該步槍在不同溫度的情況下造成冷熱偏的原因，為提高步槍射擊精度提供一定的參考。

1 步槍冷熱偏實驗

1.1 實驗過程與結果

對100 m靶進行射擊，冷熱槍彈著點分布如圖1～圖2，分別測出冷槍和熱槍的彈著點偏差如表1所示。

圖1 冷槍彈著點分布

1.2 結果分析與討論

通過對某小口徑步槍進行冷熱偏試驗可以看出，熱槍射擊較冷槍射擊的散布中心點有所偏移，槍管溫度的升高對步槍射擊準確度有較大影響，初步推測造成的結果如下：

圖2 熱搶彈著點分布

表1 試驗彈著點偏差（cm）

槍管溫度升高導致彈丸擠進壓力減小，而擠進壓力的大小決定整個內彈道過程，進而影響彈丸的膛口初速。彈丸的初速越低，地球引力對彈丸的作用效果就越明顯，這使得彈丸飛行穩定性降低，導致彈著點偏移量增大。

針對這一情況，下文將對溫度因素與擠進壓力的關系進行詳細分析。

2 步槍溫升過程分析

2.1 槍管溫升過程仿真分析

本節以某小口徑步槍身管作為研究對象，建立身管有限元模型如圖3所示。

圖3 溫度場分析模型

通過文獻［7-9］中溫度場計算公式，可以求出火藥燃氣溫度與強迫對流換熱系數、自然對流換熱系數。

槍管材料機械性能參數將隨溫度的變化而發生改變。身管材料機械性能參數如下頁表2所示。

仿真過程根據射擊規則，按不同時間間隔將身管的火藥燃氣溫度和對流放熱系數循環加載到身管膛內和內外壁上，循環仿真計算。

如圖4所示，由于火藥燃氣對流放熱系數在彈丸在膛內運動的各個時刻的值是在不斷變化的，所以在彈丸發射的過程中，槍管內膛各處的溫度是不同的。

表2 身管材料機械性能參數

圖5為某小口徑步槍在射彈150發后槍管外壁沿軸向溫度的最大值，可以看出處于連發射擊狀態的槍管外壁溫度上升較快，而單發射擊后槍管外壁溫度只有略微上升。

圖6為刺刀座附近槍管外壁溫度。

圖4 內壁沿軸向溫度最大值

圖5 外壁沿軸向溫度最大值

2.2 仿真模型試驗驗證

為了驗證上節仿真結果的可信性，本次溫升試驗將對該小口徑步槍射擊150發時的槍管外表面進行測試，實驗儀器為紅外熱成像儀。

圖6 射彈150發槍管溫度場

本次實驗研究對象為兩支某小口徑實驗槍，射擊時將步槍夾持在實驗臺上，對100 m靶進行試驗射擊。

射擊規則：試驗過程均使用試驗彈進行射擊。首先，在冷槍狀態下進行20發單發射擊；然后進行150發的無冷卻連發射擊；最后在熱搶狀態下再進行一組20發單發射擊。圖7為測量得出兩支試驗槍不同射彈數槍管外壁對應的溫度變化，圖8為射彈150發后槍管外表面溫度分布紅外圖。

圖7 外壁溫度的變化

圖8 槍管紅外測溫圖

通過兩次實驗得出射彈試驗結束后槍管外壁最高溫度分別為331.56℃和386.31℃，仿真計算結果為376℃，仿真結果在實測值范圍內，這說明仿真得到的數據結果與試驗所得的基本一致。

3 熱偏因素分析

3.1 槍管熱彎曲影響分析

在不同的環境溫度下，槍管內部的溫度場分布情況有所不同，槍管材料的屈服強度，彈性模量等機械性能參數均發生改變，這使得槍管材料較常溫條件下更容易產生變形，加上槍管自重等外力的影響，槍管更容易發生彎曲變形。

在進行仿真計算時，首先將槍管在冷槍狀態下進行仿真分析，得出槍管在射擊后的彎曲量，再將身管在射擊150發后的溫度施加在仿真模型上，重新計算，得出槍管在熱槍狀態下的變形量。表3為身管沿軸線的彎曲量，圖9為身管的熱彎曲云圖。

表3 身管沿軸線彎曲量

圖9 身管熱彎曲云圖

根據仿真結果可知，槍管溫度越高，其材料力學性能參數變化越大，在同樣程度的外載荷作用情況下，熱槍狀態下槍管的彎曲變形量較冷槍狀態下的更大。

3.2 彈丸擠進過程分析計算

對于槍械來說，彈丸在發射藥產生的火藥燃氣的作用下向前運動，彈帶產生塑性變形而擠入膛線的過程是十分復雜的。而隨著槍械射彈數量的增加，槍管內膛的溫度也隨之上升，槍管和彈丸被甲材料的力學性能參數也隨著溫度的升高而不斷改變，這導致了槍/彈相互作用情況隨著溫度的改變而改變。本節主要分析溫度的變化對擠進的影響。

3.2.1擠進模型的建立

對于彈丸擠進問題的研究，主要研究對象為銅被甲彈丸和槍管。為了保證精度，網格類型采用8節點六面體減縮積分單元C3D8R，網格大小控制在0.1 mm～2 mm之間。有限元分析模型如圖10所示。

圖10 擠進模型的網格劃分

為了計算不同溫度下彈丸在擠進膛線時的擠進壓力，將彈丸擠進過程作為研究對象，選取在彈丸擠進過程中對彈丸變形產生作用最明顯的一節槍管進行仿真計算。

其中彈丸使用覆銅鋼被甲彈丸，中間套有鉛套，彈丸最里層為鋼芯。彈丸相關結構的材料機械性能參數如表4所示。

表4 彈丸材料機械性能參數

3.2.2擠進過程槍管受力分析

彈丸擠進過程中，槍管坡膛導轉側對彈頭產生作用力，即擠進阻力Fz。擠進阻力Fz由坡膛阻力F1，陰線阻力F2和導轉阻力F33個力的合力構成。

式中，б1、1，б2、2和б3、3分別表示在接觸面上產生的接觸應力分，μ表示法向應力和切向應力的通過摩擦系數。

圖11 擠進過程受力分析

擠進過程彈頭受力分析如圖11所示，其中，η表示纏角，α表示坡膛角，β表示導轉側角度。由此可得沿彈軸方向的擠進阻力分別為

3.2.3彈丸擠進過程仿真計算

為了更深入地了解研究槍管內膛溫度對彈丸所受擠進力的影響，本節以某小口徑步槍槍管內膛作為研究對象，主要研究在冷槍和熱搶狀態下槍管坡膛處的應力分布情況，從而得到溫度的變化對彈丸擠進阻力的影響。

圖12 坡膛某處表面應力曲線

圖13 冷槍狀態下坡膛處表面應力云圖

圖14 熱槍狀態下坡膛處表面應力云圖

由圖12～圖14可知，由于彈丸在擠進時需要嵌入膛線從而使彈丸穩定旋轉，這個過程是在坡膛陽線導轉側的作用下完成的，坡膛陽線導轉側處直接致使彈丸被甲發生塑性變形，其所受到的應力會更大；溫度的改變會導致材料的機械性能參數發生變化，因此，冷槍射擊時的槍管內膛各處應力較熱槍射擊時的更大。由于擠進的過程是彈丸被甲鑲嵌進槍管膛線的過程，因此，可以近似地將槍管所受彈丸的作用力看做彈丸所受的擠進阻力。根據公式，槍管所受彈丸的作用力可以看作是槍管內壁各處所受力的合力，從而得到如圖15所示曲線。

由圖15彈丸的擠進阻力曲線可知，彈丸在冷槍狀態下和熱槍狀態下所受的擠進阻力相差較大，冷槍狀態下射擊時彈丸所受的擠進阻力大于熱槍狀態下射擊彈丸所受的擠進阻力。由于擠進過程時間很短，擠進加速度可忽略不計，則將擠進阻力與槍膛橫截面積的比值視為彈丸完全擠進的瞬間槍膛內的火藥壓力，即擠進壓力。

圖15 彈丸的擠進阻力曲線

根據上述擠進過程分析可知：槍管在熱槍狀態下的擠進力較冷槍時的小。這是因為熱槍狀態下槍管溫度升高，材料的機械性能參數發生改變，屈服強度等參數減小，這使得彈丸和槍管內膛接觸壓力變小，擠進阻力更小。

3.3 彈丸在槍膛內運動過程分析

假設彈丸在擠進的過程中槍管是固定的，不發生機械振動，雖然彈丸結構是對稱的，但是由于彈丸在膛內運動的過程中，槍管內膛各處對彈丸被甲的作用力是不均勻的，并且彈丸還受到自身的重力和彈前空氣阻力等的作用，彈丸不會完全平穩地擠進。經過仿真計算，分別取冷槍狀態下和熱槍狀態下彈丸頭部頂端橫向位移繪制彈丸擺動情況如圖16～圖17所示。

圖16 冷槍彈丸頂端x方向位移

圖17 熱槍彈丸頂端x方向位移

從上圖中可以看出，冷槍狀態下彈丸能更平穩地擠進膛線。這是因為冷槍狀態下槍管的溫度與熱槍狀態下槍管的溫度相差較大，材料的屈服強度、彈性模量等機械性能參數發生變化，彈丸與槍管之間的作用力減小，這使得彈丸在擠進過程中受力更加不均勻，而擺動更加明顯；同時由3.1節的分析，冷槍狀態下槍管的變形量較熱槍狀態下槍管的彎曲變形量小，槍管的熱彎曲變形會對彈丸擠進膛線的過程產生較大影響。這使得在冷槍和熱槍狀態下槍/彈之間的相互作用不同，從而使彈丸在出膛口時姿態差異較大。

4 結論

本文以某小口徑步槍為研究對象，進行了熱偏試驗，同時建立有限元分析模型，通過仿真分析來探究步槍產生冷熱偏的原因，分析結果表明：由于槍管溫度升高，導致了擠進過程中，彈丸在冷熱槍狀態下的擠進壓力出現較大差異；同時槍管的熱彎曲變形對彈丸在膛內運動過程也有較大影響。該研究可為優化槍管結構，選擇槍管材料，合理分配射速，安排射擊間隔時間，進而為提高射擊精度提供理論參考依據。