步槍實彈發射槍榴彈后坐過載環境仿真方法

徐紹帥，王雨時，聞 泉，黃建強，龔顯益，喻新連

（1.南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094；2.岳陽金秋紅日工業有限公司，湖南岳陽414000）

步槍實彈發射槍榴彈后坐過載環境仿真方法

徐紹帥1，王雨時1，聞 泉1，黃建強2，龔顯益2，喻新連2

（1.南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094；2.岳陽金秋紅日工業有限公司，湖南岳陽414000）

針對步槍實彈發射槍榴彈的后坐過載環境特殊，并不是膛壓函數的問題，應用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真軟件對5.8 mm和7.62 mm口徑步槍實彈發射槍榴彈過程進行數值模擬，獲得了后坐過載-時間曲線，利用銅柱測壓原理實驗測得了后坐過載峰值，驗證了仿真結果。步槍實彈發射槍榴彈的后坐過載峰值最小達19 000 g，遠大于步槍空包彈發射時的后坐過載。步槍實彈發射槍榴彈的后坐過載持續時間很短，只有120 μs左右，與1.5 m落高跌向鋼板的跌落沖擊持續時間接近。7.62 mm口徑槍彈發射槍榴彈的后坐過載比5.8 mm口徑槍彈發射槍榴彈的后坐過載大80%左右；捕彈器材料軟時后坐過載小，反之則較大。

引信；發射環境；數值仿真；槍榴彈；后坐過載

0 引言

在引信設計中要求其具有解除保險可靠性和安全性。槍榴彈發射時的后坐過載關系到引信發射強度與解除保險性能設計，也關系到其戰斗部發射強度設計和裝藥安定性設計等。早期槍榴彈多以空包槍彈發射。空包槍彈發射槍榴彈的后坐過載一般只有500～1 000 g［1］。隨著捕彈器技術的發展與成熟，槍榴彈逐漸改用步槍實彈發射，以減少戰士攜帶與作戰使用的槍彈品種，也從根本上杜絕了實彈誤代空包槍彈發射槍榴彈可能帶來的安全性隱患。但步槍實彈發射槍榴彈所產生的后坐過載環境未見有文獻研究。最新的歐美國家引信產品手冊［2-3］也未見有步槍實彈發射槍榴彈的后坐過載環境介紹。文獻［4］雖然討論了步槍實彈發射槍榴彈的內彈道學問題，但步槍實彈發射槍榴彈的后坐過載環境特殊，并不是膛壓的函數，而是與槍彈彈頭沖擊捕彈器過程密切相關。本文針對此問題，提出了步槍實彈發射槍榴彈后坐過載環境仿真方法。

1 仿真模型及仿真參數設置

由于槍榴彈發射方式特殊，所以本文設計一種專用于測量槍榴彈發射后坐過載的測試彈，如圖1所示。測試彈結構較復雜，按實際建模后仿真時間會較長。為減少仿真時間，將槍榴彈內部一些變形較小部分合為一個整體，即槍榴彈主體（包括戰斗部、引信和尾管等），只留下仿真需要的功能零件（慣性體、銅柱、捕彈器和鋁合金墊等）。另外，由于測試彈為軸對稱結構，所以只建立四分之一模型，并在對稱面施加對稱約束。仿真模型建立如圖2所示。

圖1 引信后坐過載環境測試彈Fig.1 Rifle grenade for testing fuze setback-load

圖2 槍彈沖擊槍榴彈仿真模型Fig.2 Simulating model of bullet impacting rifle grenade

仿真模型由六部分組成，其中為減少計算時間，將仿真過程中變形較小的槍榴彈主體和慣性體簡化定義為剛體。由于槍榴彈主體的各部分材料不同，密度也不同，所以用等效密度來定義槍榴彈主體密度，以保證模型與實彈重量相同。等效密度，是指根據仿真彈重與實際彈重相同的原則在仿真軟件ANSYS/ LS-DYNA的k文件中直接修改的材料密度。

普通槍彈彈頭由鋼芯、鉛套和覆銅鋼殼體組成［5］。槍彈彈頭結構外層的被甲（覆銅鋼殼體）和鉛套（鉛銻合金）材料硬度低，強度小，在沖擊捕彈器時容易破壞，對靶板的沖擊侵徹效應主要體現在彈頭內強度較高的鋼芯上。為簡化模型，彈頭采用一種材料模型，并采用等效密度使模型質量與實彈質量相同。由文獻［6］可知，經過處理的T12A鋼可作為槍彈彈芯材料。由于無法獲得T12A鋼的仿真模型參數，所以本文參照文獻［7—8］，在仿真時以硬度近似T12A鋼的合金鋼30Cr MnSiA替代T12A鋼作為槍彈彈頭鋼芯材料。

本文中采用軟、硬兩種捕彈器材料，分別為45鋼和65Mn鋼。選擇仿真材料參數定義如表1、表2和表3所列。

表1 30Cr MnSiA鋼（彈頭鋼芯）隨動塑性材料模型參數［7-8］Tab.1 PLASTIC-KINEMATIC material model of Steel 30Cr MnSiA（steel core of bullet）

表2 RIGID（剛體模型）材料模型參數［7］Tab.2 RIGID material model

表3 JOHNSON-COOK材料模型參數［9-11］Tab.3 JOHNSON-COOK material model

2 槍榴彈引信后坐過載環境仿真

捕彈器采用軟、硬兩種材料（45鋼和65Mn鋼）、兩種尺寸（如圖3中a尺寸分別取7 mm和6 mm）。以7.62 mm和5.8 mm口徑步槍實彈發射槍榴彈，所得仿真結果分別如圖4和圖5所示以及表4所列。

圖3 捕彈器示意圖Fig.3 Schematic diagram of bullet trap

圖4 7.62 mm實彈發射槍榴彈慣性體后坐加速度仿真結果Fig.4 Simulation result of coasting body acceleration when firing rifle grenade using 7.62 mm bullet

圖4中，曲線1為7.62 mm實彈撞擊45鋼7 mm捕彈器時慣性體加速度；曲線2為7.62 mm實彈撞擊45鋼6 mm捕彈器時慣性體加速度；曲線3為7.62 mm實彈撞擊65Mn鋼7 mm捕彈器時慣性體加速度；曲線4為7.62 mm實彈撞擊65Mn鋼6 mm捕彈器時慣性體加速度。

圖5 5.8 mm實彈發射槍榴彈慣性體后坐加速度仿真結果Fig.5 Simulation result of coasting body acceleration when firing rifle grenade using 5.8 mm bullet

圖5中，曲線1為5.8 mm實彈撞擊45鋼7 mm捕彈器時慣性體加速度；曲線2為5.8 mm實彈撞擊45鋼6 mm捕彈器時慣性體加速度；曲線3為5.8 mm實彈撞擊65Mn鋼7 mm捕彈器時慣性體加速度；曲線4為5.8 mm實彈撞擊65Mn鋼6 mm捕彈器時慣性體加速度。

表4 步槍實彈發射槍榴彈后坐過載仿真結果匯總Tab.4 Simulation result collect of Setback-load of firing rifle grenade using bullet

在槍榴彈引信設計中，需根據其所受后坐過載來確定槍榴彈引信解除保險設計方案。

3 槍榴彈引信后坐過載環境測試

槍榴彈引信后坐過載環境測試原理如圖1所示。槍榴彈發射后，后坐力使慣性體對銅柱施壓，試驗后測量銅柱高度，對照銅柱壓力表即可知慣性體對銅柱的壓力大小。槍榴彈發射后坐過載測試結果如表5所列。試驗中采用7.62 mm實彈和調質處理后的7 mm長45鋼捕彈器。

表5 7.62 mm槍彈發射槍榴彈后坐過載試驗值Tab.5 experimental results of setback-load of firing rifle grenade using 7.62 mm bullet

仿真時未考慮槍彈發射藥以及槍榴彈尾管內隨進裝藥的作用，因而系統性偏小約22%。

4 結論

本文提出了應用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真步槍實彈發射槍榴彈過程以得到槍榴彈發射時后坐過載環境的方法，運用該方法得到了槍榴彈發射后坐過載-時間曲線。步槍實彈發射槍榴彈的后坐過載峰值最小達19 000 g，遠大于步槍空包彈發射時的后坐過載（500～1 000 g）。步槍實彈發射槍榴彈的后坐過載持續時間很短，只有120μs左右，與1.5 m落高跌向鋼板的跌落沖擊持續時間接近。7.62 mm口徑槍彈發射槍榴彈的后坐過載比5.8 mm口徑槍彈發射槍榴彈的后坐過載大80%左右；捕彈器材料軟時后坐過載小，反之則較大。經實驗表明，該方法得到的結果與實際基本相符。

［1］馬寶華.引信構造與作用［M］.北京：國防工業出版社，1984.

［2］Allied Ordnancf.AOP8 NATO FUZE CHARACTERISTICS DATA［S］.USA，2003.

［3］MIL-HDBK-145C.ACTIVE FUZE CATALOG［S］. USA，2000.

［4］艾西安.步兵近戰武器論證參考［M］.北京：國防工業出版社，1992.

［5］《槍彈手冊》編寫組.槍彈手冊［M］.北京：國防工業出版社，1988.

［6］國防科學技術工業委員會.GJB 1665-1993槍彈彈芯用T12A冷拉鋼規范［S］.北京：中國標準出版社，1993.

［7］《工程材料使用手冊》編輯委員會.工程材料手冊（第二版）［M］.北京：中國標準出版社，2002.

［8］王琳，王富恥.空心彈體侵徹金屬靶板的數值模擬和實驗研究［J］.兵器材料科學與工程，2001.24（6）：13-17.

［9］陳剛，陳忠富，陶俊林.45鋼動態塑性本構參量與驗證［J］.爆炸與沖擊，2005，25（5）：451-456.

［10］陳剛，陳小偉，陳忠富.Q235鋼鈍頭彈撞擊45鋼板破壞模式的數值分析［J］.爆炸與沖擊，2007，27（5）：390-397.

［11］胡昌明，賀紅亮，胡時勝.45號鋼的動態力學性能研究［J］.爆炸與沖擊，2003，23（2）：188-192.

Setback Overload Environment Simulation of Rifle Grenade Live Firing

XU Shaoshuai1，WANG Yushi1，WEN Quan1HUANG Jianqiang2，GONG Xianyi2，YU Xinlian2
（1.College of Mechanical Engineering，NUST，Naniing 210094，China；2.Yueyang Jinqiuhongri industry Limited Company.Yueyang 414000，China）

In order to provide ballistic environment to fuze design，the process of firing rifle grenade using 5.8 mm and 7.62 mm caliber bullet was simulated with the software ANSYS/LS-DYNA，and then the setback overload-time curve was obtained，the peak of the setback overload was obtained through experiments using the copper cylinder pressure measuring principle，which proved the result of simulation.The peak of the setback overload of firing rifle grenade using bullet was more than 19 000 g，and it’s much higher than that of firing rifle grenade using blank.The time that firing rifle grenade using bullet is as short as 120μs，and closed to the time of impact when fuze was dropping to steel plate from 1.5 m height.The setback overload of firing rifle grenade using 7.62 mm calber bullet is 80%higher than that of firing rifle grenade using 5.8 mm caliber bullet.The setback overload was lower when the material of the bullet trap was softer，whereas which was higher.

fuze；lauching environment；numerical simulation；rifle grenade；setback overload

TJ43

A

1008-1194（2015）05-0040-03

2015-01-03

徐紹帥（1987—），男，遼寧普蘭店人，碩士，研究方向：引信系統分析與總體設計。E-mail：hiuihnu@163.com。