基于ANSYS-Workbench對(duì)大口徑步槍機(jī)頭靜力學(xué)分析

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 任琳 王剛 龍虎

在步槍發(fā)射時(shí)閉鎖機(jī)構(gòu)承受高壓，開(kāi)閉鎖時(shí)承受較大的作用力，運(yùn)動(dòng)到位時(shí)又承受巨大的撞擊力，并且還要避免因彈性變形而造成的斷殼或抽殼困難，因此閉鎖機(jī)構(gòu)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度。某大口徑步槍采用機(jī)頭回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)，機(jī)頭繞縱軸旋轉(zhuǎn)完成開(kāi)閉鎖。機(jī)頭回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)是槍機(jī)可以對(duì)稱地支撐在節(jié)套上，受力對(duì)稱，閉鎖凸筍靠近槍尾斷面，剛度好，動(dòng)作可靠。

研究大口徑步槍槍機(jī)機(jī)頭強(qiáng)度，不僅能在設(shè)計(jì)過(guò)程中確定閉鎖效果，保證安全使用，還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇材料及加工工藝，為步槍輕量化設(shè)計(jì)提供結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)。本文在建立機(jī)頭有限元模型的基礎(chǔ)上，主要分析某大口徑步槍槍機(jī)在實(shí)彈射擊狀態(tài)下的閉鎖凸筍的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題，以及閉鎖支撐面的應(yīng)力分布情況。

1 閉鎖機(jī)構(gòu)機(jī)頭的受力分析

某大口徑步槍采用機(jī)頭回轉(zhuǎn)式非自動(dòng)發(fā)射原理，在閉鎖條件下，機(jī)頭將子彈推入槍膛并在節(jié)套體內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定角度，槍管節(jié)套和機(jī)頭3對(duì)閉鎖支撐面牢固扣合，完成閉鎖，如圖1所示。

圖1 射擊時(shí)機(jī)頭受力圖

在彈丸發(fā)射過(guò)程中,發(fā)射藥引燃后產(chǎn)生高壓氣體，作用在彈丸上，使彈丸在槍管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)作用在彈殼底部的火藥燃?xì)鈮毫τ蓸寵C(jī)體承受，槍機(jī)體承受的火藥燃?xì)鈮毫υ俳?jīng)3對(duì)閉鎖凸筍支撐面作用到節(jié)套體和部分槍身。

表1 材料力學(xué)特性

2 有限元模型的建立

2.1 材料屬性

考慮槍機(jī)實(shí)際工況，擬采用合金鋼材料，表1為合金鋼材料的力學(xué)特性，在有限元分析中，不考慮材料的熱處理工藝后的力學(xué)性能。

2.2 有限元模型的建立

UGNX8.0具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力，能夠精確建立復(fù)雜的實(shí)體、曲面模型。利用UGNX8.0建立機(jī)頭的三維模型，以中間格式STEP文件格式導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并有效傳遞模型數(shù)據(jù)。

在ANSYS-Workbench中創(chuàng)建Static Structural項(xiàng)目，將中間格式STEP文件導(dǎo)入StaticStructural項(xiàng)目Geometry，設(shè)置材料屬性，并修改相應(yīng)彈性模量和泊松比等重要材料屬性。

采用Solid186高階三維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，其具有二次位移模式，可以更好地模擬不規(guī)則網(wǎng)格。

智能網(wǎng)格劃分，精度設(shè)置為6級(jí)，最大單元邊長(zhǎng)為2。采用智能網(wǎng)格功能，如圖2，網(wǎng)格質(zhì)量完全可以滿足槍機(jī)靜力學(xué)分析要求。

圖2 步槍機(jī)頭有限元分析網(wǎng)格劃分

3 機(jī)頭靜力學(xué)分析

在內(nèi)彈道關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析。主要是在內(nèi)彈道第一時(shí)期，膛內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到最大值，作用在彈底的作用力也達(dá)到峰值，在此彈底合力峰值點(diǎn)，對(duì)機(jī)頭進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析應(yīng)力集中分布區(qū)域，以及易于發(fā)生應(yīng)變區(qū)域，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及工藝提供一定的參考。

3.1 閉鎖凸筍支撐面應(yīng)力分析

在內(nèi)彈道前期，由擊發(fā)底火到彈帶全部擠進(jìn)膛線這一時(shí)期，擠進(jìn)壓力p0為42MPa，擠進(jìn)壓力經(jīng)彈殼，將壓力傳遞到槍機(jī)機(jī)頭部，通過(guò)3對(duì)閉鎖支撐面承受該壓力。

在內(nèi)彈道第一時(shí)期，即膛底壓力達(dá)到最大值402MPa，閉鎖面出現(xiàn)局部較大的應(yīng)變區(qū)域，越靠近槍機(jī)圓柱體，應(yīng)力集中越明顯，尤其在閉鎖面與機(jī)頭圓柱體倒圓位置，出現(xiàn)應(yīng)力最大值。

圖3 步槍機(jī)頭閉鎖支撐面主應(yīng)力云圖

3.2 總應(yīng)變分析

在射擊過(guò)程中的槍機(jī)的變形尤其是彈底窩部位的變形，容易導(dǎo)致彈殼斷裂或抽殼困難，也容易導(dǎo)致機(jī)頭卡死在節(jié)套體內(nèi)，無(wú)法完成正常開(kāi)鎖。

在膛遞壓力為極大值時(shí)，在彈底窩的變形主要集中在彈底窩下方矩形導(dǎo)軌槽周圍，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)保持機(jī)頭重要部位的整體性，減少機(jī)械加工量，避開(kāi)應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域，增加機(jī)頭機(jī)械的可靠性。

圖4 步槍機(jī)頭總應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用ANSYS-Workbench對(duì)設(shè)計(jì)部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，能夠有效發(fā)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域，設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)當(dāng)優(yōu)化該區(qū)域的結(jié)構(gòu)。在材料選擇方面，可在ANSYS-Workbench材料庫(kù)中進(jìn)行初步選擇，為之后機(jī)頭的熱處理工藝提供參考。

[1]步槍自動(dòng)武器及彈藥設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1977.

[2]槍械手冊(cè)[K].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1986.

[3] 許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2012.

[4] 黃志新, 劉成柱.ANSYS Workbench14.0 超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社,2013.