基于ANSYS-Workbench對大口徑步槍機頭靜力學分析

山西中北大學機電工程學院 任琳 王剛 龍虎

在步槍發射時閉鎖機構承受高壓，開閉鎖時承受較大的作用力，運動到位時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，因此閉鎖機構應有足夠的強度和剛度。某大口徑步槍采用機頭回轉式閉鎖機構，機頭繞縱軸旋轉完成開閉鎖。機頭回轉式閉鎖機構主要優點是槍機可以對稱地支撐在節套上，受力對稱，閉鎖凸筍靠近槍尾斷面，剛度好，動作可靠。

研究大口徑步槍槍機機頭強度，不僅能在設計過程中確定閉鎖效果，保證安全使用，還可以進行結構優化，選擇材料及加工工藝，為步槍輕量化設計提供結構分析基礎。本文在建立機頭有限元模型的基礎上，主要分析某大口徑步槍槍機在實彈射擊狀態下的閉鎖凸筍的強度和剛度問題，以及閉鎖支撐面的應力分布情況。

1 閉鎖機構機頭的受力分析

某大口徑步槍采用機頭回轉式非自動發射原理，在閉鎖條件下，機頭將子彈推入槍膛并在節套體內旋轉一定角度，槍管節套和機頭3對閉鎖支撐面牢固扣合，完成閉鎖，如圖1所示。

圖1 射擊時機頭受力圖

在彈丸發射過程中,發射藥引燃后產生高壓氣體，作用在彈丸上，使彈丸在槍管內高速旋轉向前運動，同時作用在彈殼底部的火藥燃氣壓力由槍機體承受，槍機體承受的火藥燃氣壓力再經3對閉鎖凸筍支撐面作用到節套體和部分槍身。

表1 材料力學特性

2 有限元模型的建立

2.1 材料屬性

考慮槍機實際工況，擬采用合金鋼材料，表1為合金鋼材料的力學特性，在有限元分析中，不考慮材料的熱處理工藝后的力學性能。

2.2 有限元模型的建立

UGNX8.0具有強大的參數化設計能力，能夠精確建立復雜的實體、曲面模型。利用UGNX8.0建立機頭的三維模型，以中間格式STEP文件格式導出，實現模型數據的轉換，并有效傳遞模型數據。

在ANSYS-Workbench中創建Static Structural項目，將中間格式STEP文件導入StaticStructural項目Geometry，設置材料屬性，并修改相應彈性模量和泊松比等重要材料屬性。

采用Solid186高階三維20節點固體結構單元，其具有二次位移模式，可以更好地模擬不規則網格。

智能網格劃分，精度設置為6級，最大單元邊長為2。采用智能網格功能，如圖2，網格質量完全可以滿足槍機靜力學分析要求。

圖2 步槍機頭有限元分析網格劃分

3 機頭靜力學分析

在內彈道關鍵時間點對模型進行靜力學分析。主要是在內彈道第一時期，膛內壓強達到最大值，作用在彈底的作用力也達到峰值，在此彈底合力峰值點，對機頭進行靜力學分析，分析應力集中分布區域，以及易于發生應變區域，為結構設計、材料選擇及工藝提供一定的參考。

3.1 閉鎖凸筍支撐面應力分析

在內彈道前期，由擊發底火到彈帶全部擠進膛線這一時期，擠進壓力p0為42MPa，擠進壓力經彈殼，將壓力傳遞到槍機機頭部，通過3對閉鎖支撐面承受該壓力。

在內彈道第一時期，即膛底壓力達到最大值402MPa，閉鎖面出現局部較大的應變區域，越靠近槍機圓柱體，應力集中越明顯，尤其在閉鎖面與機頭圓柱體倒圓位置，出現應力最大值。

圖3 步槍機頭閉鎖支撐面主應力云圖

3.2 總應變分析

在射擊過程中的槍機的變形尤其是彈底窩部位的變形，容易導致彈殼斷裂或抽殼困難，也容易導致機頭卡死在節套體內，無法完成正常開鎖。

在膛遞壓力為極大值時，在彈底窩的變形主要集中在彈底窩下方矩形導軌槽周圍，在設計過程中，應保持機頭重要部位的整體性，減少機械加工量，避開應力應變集中區域，增加機頭機械的可靠性。

圖4 步槍機頭總應變云圖

4 結束語

應用ANSYS-Workbench對設計部件進行靜力學分析，能夠有效發現應力應變集中區域，設計過程應當優化該區域的結構。在材料選擇方面，可在ANSYS-Workbench材料庫中進行初步選擇，為之后機頭的熱處理工藝提供參考。

[1]步槍自動武器及彈藥設計手冊[K].北京：國防工業出版社,1977.

[2]槍械手冊[K].北京：國防工業出版社,1986.

[3] 許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數值模擬技術[M].北京：中國水利水電出版社,2012.

[4] 黃志新, 劉成柱.ANSYS Workbench14.0 超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社,2013.