考慮環境溫度和連續射彈量的某機槍抽殼故障仿真預測

馮文浩，方 峻

(南京理工大學， 南京 210094)

速射武器抽殼過程在高溫、高壓、高速的過程中進行，會面臨卡殼以及彈殼斷裂的問題，這些問題主要是由槍械的抽殼機構工作失效引起的。因此研究在不同環境溫度和射彈量條件下抽殼機構的故障率對武器在工作狀態下減小故障率有重要作用。

有不少學者對武器抽殼過程中的一些影響因素進行過研究。在理論研究上，吳志林等[1]建立了高壓抽殼理論，宋廣惠等[2]建立了殼機力和抽殼力的數學模型。針對抽殼機構的結構研究，衛豐等[3]討論了初始間隙等因素對發射應力和抽殼力的影響?？灯G祥等[4]分析了初始間隙、彈膛壁厚、摩擦因數與抽殼力之間的關系。譚波等[5]分析了抽筒模板下移和抽筒左右位置變化對抽殼的影響。在環境因素方面，楊吉王明廣等[6]分析了溫度對抽殼的影響。此外，林等[7]對抽殼時藥筒的應力變化進行了仿真分析。但是國內對槍械的抽殼故障率研究幾乎空白。

本文運用有限元軟件ANSYS模擬某型機槍在不同環境溫度和射彈量條件下的抽殼過程，把環境溫度分為3種，分別是高溫、常溫和低溫條件，選環境溫度、射彈量、摩擦因數3個影響因素進行分析。針對該機槍抽殼失效時彈殼斷裂情況進行分析，采用材料力學中的第一強度理論，通過蒙特卡洛法來計算不同環境溫度和射彈量條件下抽殼的故障率。

1 基本理論分析

1.1 總體方法及流程

本文針對某型機槍在不同環境溫度和射彈量條件下抽殼故障率進行計算，通過有限元計算出某型機槍在不同環境溫度、射彈量和摩擦因數下抽殼過程中的最大抽殼阻力和彈殼最大主應力，并通過響應面分析得出彈殼最大主應力的擬合公式，再根據擬合公式求解出不同環境溫度以及射彈量條件下彈殼的最大主應力的均值和標準差，通過蒙特卡洛法進行故障率仿真，得出抽殼故障率。總體流程如圖1所示。

圖1 抽殼故障率求解總體流程框圖

1.2 故障原因分析

在不同的環境中，槍械面臨不同的環境因素，導致抽殼故障的原因也不同。在熱帶沙漠地區，影響抽殼故障主要是溫度和沙塵，熱帶沙漠地區裝藥溫度較高因此膛壓相對較高，同時高溫使得潤滑油蒸發較快以及沙漠地區的沙塵影響使得摩擦因數增大，引發抽殼故障。在常溫沙塵地區，抽殼故障主要是由沙塵進入槍膛引起的摩擦因數變大。在高原或冰原寒區，裝藥溫度低，槍械的膛壓較低，且溫度過低引起潤滑油凝固使得摩擦因數增大，產生抽殼故障。

1.3 抽殼阻力力學分析

抽殼時膛內殘余一定的壓強，不同裝藥溫度下的壓強也不同，溫度修正系數可以通過壓力的全沖量來體現。

(1)

因此高溫或低溫下，壓力的全沖量為：

(2)

在剛性閉鎖的情況下，抽殼一般在膛壓下降到某一值時開始。抽殼阻力不僅與膛壓、彈殼與彈膛的材料及尺寸有關，還與彈殼在彈膛內的長度有關，隨著抽出的長度增加，抽殼阻力逐漸減小。若將彈殼等效視為n個圓筒，抽殼阻力一般可用于下式描述：

(3)

式中，n為切取軸向長ΔLi的彈殼環數量；f為彈殼彈膛之間的摩擦因數；pi為第i個環與彈膛的擠壓力；p為抽殼時的剩余膛壓；d為武器口徑[8]。

1.4 故障率分析

針對抽殼時彈殼斷裂的情況，根據材料力學第一強度理論或者第二強度理論[9]判定斷裂失效形式。第一強度理論認為：當最大拉應力達到某一極值，材料斷裂。當彈殼最大主應力超過最大許用拉應力時，材料發生損壞，沒有超過最大許用拉應力則認為滿足強度設計要求。

故障率采用蒙特卡洛法進行分析，該方法是通過隨機模擬和統計試驗來求解結構可靠性的近似數值方法。當用蒙特卡洛方法求解某一事件的概率時，可以通過抽樣試驗的方法，得到該事件出現的頻率，將其作為問題的解[10]。

2 有限元模型

2.1 基本假設

彈殼在工作過程中的受載變形過程是非常復雜的，高溫高壓，時間極短，還涉及到彈殼彈膛材料的彈塑性變形，材料間的接觸摩擦等，要求出完整的理論解非常困難。在此對模型作如下假設：

1) 塑性材料變形規律符合雙折線形[11]。

2) 熱應力分析過程中進行如下假設：忽略彈膛外壁向空氣的導熱；不考慮摩擦生熱；忽略輻射放熱；假設熱對流是穩定的[12]。

3) 由于抽殼過程與槍機形狀無關，將槍機簡化成一個簡單的圓柱，有限元模型如圖2所示，共劃分網格單元 13 749個，網格節點64 479個。彈殼尾部采用四面體網格，其余部分采用六面體網格。

2.2 材料參數

彈殼材料采用20號鋼，由于在抽殼過程中彈殼不僅存在彈性變形而且也存在塑性變形，因此在仿真過程中采用雙線性彈塑性模型。彈膛材料以及閉鎖機構采用身管鋼，在抽殼過程中只有彈性變形因此采用彈性模型。彈膛表面有一層均勻的鍍鉻層，鍍鉻層采用彈性模型。材料的力學性能參數如表1[13]和表2[14]所示。

圖2 抽殼機構有限元模型示意圖

表1 身管和鍍鉻層的力學性能參數

表2 彈殼的力學性能參數

2.3 載荷條件

根據內彈道方程計算出彈殼爆炸過程中產生的壓強和溫度，對彈殼內表面施加均勻的隨時間變化的壓強。壓強隨時間變化如圖3所示。

圖3 不同溫度下的平均膛壓-時間曲線

內彈道時期火藥燃氣溫度是時間或彈丸位置的函數，在求解內彈道參數時，通過下面的公式算出：

Tg(t)=[1-(k-1)φqv2(t)/(2gfwψ)]T1

(4)

式中:v(t)為火藥彈丸運動速度；k為絕熱指數；w為裝藥量；f為火藥力；φ為虛擬系數；q為彈丸質量；ψ為火藥燃去部分百分比；T1為火藥爆炸溫度。

后效期火藥燃氣溫度變化規律為：

(5)

式中：Tk為內彈道結束時膛內火藥燃氣平均溫度；Tbw為火藥爆炸溫度；Ta為后效期結束時刻膛內火藥氣體平均溫度；tndd為內彈道持續時間；thxq為后效期持續時間。

火藥氣體溫度隨時間變化如圖4所示。

內彈道時期和后效期的火藥燃氣放熱系數為：

(6)

式中：tp為彈丸在膛內的運動時間。

圖4 火藥燃氣平均溫度-時間曲線

火藥對流放熱系數曲線如圖5。

圖5 火藥對流放熱系數曲線

3 有限元仿真結果及分析

3.1 溫度場仿真結果分析

本文用ANSYS對某型機槍在高溫、常溫、低溫條件下對單發、連發兩種射彈量條件進行分析，其中單發指射彈量為1發，連發指射彈量為200發。其中連發的溫度場包含了單發的溫度場，因此只要仿真連發的溫度場。高溫選取環境溫度為50 ℃，常溫選取環境溫度為20 ℃，低溫選取環境溫度為-50 ℃。溫度場分析后選取典型的節點溫度作為載荷條件，選取2個不同位置的典型節點進行分析，分別是外壁節點58和膛內節點22402，節點位置如圖6所示。外壁節點58的位置在彈膛中間，溫度場變化如圖7所示。由于彈殼口部火藥氣體溫度較高，因此選取彈膛上靠近彈殼口部的膛內節點22402，溫度變化如圖8所示。仿真結果顯示，在環境溫度越高的地方，同樣的節點同樣的時間，溫度也越高，兩者成正相關。

圖6 節點位置示意圖

圖7 不同環境溫度下200發時節點58溫度變化曲線

圖8 不同環境溫度下200發節點22402溫度變化曲線

3.2 最大抽殼阻力和彈殼最大主應力分析

采用ANSYS Workbench進行熱結構耦合分析，添加表面溫度載荷，將溫度場分析的結果條件作為載荷輸入到瞬態動力學分析中。仿真得出最大抽殼阻力和彈殼最大主應力在不同環境溫度和射彈量條件下的結果。選取摩擦因數作為敏感參數分析，摩擦因數的變化將直接影響抽殼阻力和彈殼最大主應力。鍍鉻彈膛摩擦因數約在0.05左右，沙粒附上后摩擦因數增至0.15以上，使抽殼阻力增大3倍以上。同時隨著溫度的不斷提高，熱量不容易散失，因此彈殼膨脹較大，使彈膛與彈殼間的摩擦力增加。因此對敏感參數設計一個試驗參數表，觀察敏感參數對最大抽殼阻力和彈殼最大主應力的影響。其中抽殼阻力變化曲線如圖9，彈殼主應力分布圖如圖10，試驗參數如表3所示。

圖9 抽殼阻力變化曲線

圖10 彈殼主應力分布圖

表3 試驗參數

續表(表3)

通過抽殼阻力變化曲線，彈殼應力分布圖，可以得出以下結論：在抽殼過程中，抽殼阻力突然增大以后，由于彈殼和槍膛脫離接觸，抽殼阻力開始減小，震蕩最后趨于0。彈殼最大主應力出現在彈殼的距離尾部不遠處。實驗參數表表明，對最大抽殼阻力和彈殼最大主應力影響最大的因素是摩擦因數，彈殼最大主應力和最大抽殼阻力總體上隨著摩擦因數的增大而增大。

4 故障率分析

S=686.462 05+0.485 626T+0.013 388N+402.587 01f

(7)

其中：S為彈殼最大主應力；T為溫度；N為射彈量;f為摩擦因數。

本文采用蒙特卡洛法模擬槍械在不同環境溫度和射彈量條件下的故障率進行仿真。采用擬合后的彈殼最大主應力方程進行求解分析?？紤]武器在高溫、常溫和低溫三種環境溫度和單發以及連發兩種射彈量條件下工作時抽殼故障率，選取摩擦因數作為敏感參數。

通過擬合公式求解出彈殼在不同環境溫度以及射彈量條件下彈殼最大主應力的均值和標準差。彈殼的硬度均值為230HV[15]，根據GB/T1172—199黑色金屬硬度及強度換算可知抗拉強度約為793 MPa。采用MATLAB編寫程序進行仿真，計算每種環境溫度和射彈量條件下的故障率，求解結果如表4所示。其中20 ℃下摩擦因數0.05～0.23條件下單發射擊時彈殼最大主應力分布如圖11所示。

由表4可知，同樣的射彈量和摩擦因數區間范圍，溫度越高，故障率也越高。同樣的溫度和射彈量；摩擦因數越大，故障率越高。

表4 不同環境溫度和射彈量條件下故障率仿真結果

圖11 彈殼最大主應力分布直方圖

5 結論

通過對某機槍速射時抽殼故障的仿真研究得知：在環境溫度越高的地方，同樣的節點同樣的時間，溫度也越高，兩者成正相關。最大抽殼阻力和彈殼最大主應力影響最大的因素是摩擦因數，彈殼最大主應力出現在距離彈殼尾部不遠處。仿真結果表明故障率隨著環境溫度、射彈量以及摩擦因數的增大而增大。