射擊過程中身管溫度升高對射擊準確度的影響

藍維彬,楊 臻,龍建華,薛 鈞

(1.中北大學 機電工程學院,山西 太原 030051;2.重慶建設工業(yè)(集團)有限責任公司,重慶 400054;3.中國兵器工業(yè)第208研究所,北京102202)

槍管在工作中要承受高溫、高壓、高速氣體的沖擊,在火藥燃氣的作用下其內(nèi)壁溫度不斷升高,并向外壁傳遞熱量而使整個槍管溫度上升。而溫度的變化會導致槍管材料力學性能發(fā)生改變,不僅會使槍管在射擊中發(fā)生彎曲變形,改變射角;還會影響彈丸擠進過程,使初速發(fā)生變化。因此,研究溫度的影響對揭示步槍熱偏問題具有重要意義。

目前該領域的研究主要是采用試驗方法。朵英賢院士曾對此提出質(zhì)疑,認為試驗法耗彈量過大且仍未得到有效解決熱偏問題的要領[1]。在理論研究方面,文獻[2]研究了某狙擊步槍準靜態(tài)彈頭擠進力,建立了數(shù)值仿真模型,推導了擠進力的理論計算公式,得出了狙擊步槍彈擠進過程與彈/槍參數(shù)匹配機理;文獻[3]針對依靠觀察和實驗難以解決的彈丸在槍管擠進過程中帶有過盈摩擦大變形接觸的難題,建立了彈丸擠進槍管的有限元模型,分析了擠進前后彈頭殼和鉛芯的變形特征及擠進結(jié)束后彈丸的殘余應力;文獻[4]將有限元與數(shù)值仿真分析相結(jié)合,得出某大口徑機槍滿足彈頭初速條件的坡膛角度取值和彈丸擠進阻力的變化規(guī)律;文獻[5]考慮了高速擠進過程中應變率對彈丸材料的影響。文獻[6-7]通過非線性熱力學研究了火炮身管在溫度場作用下的彎曲變形。

上述研究大部分是針對常溫下彈丸的擠進過程及身管的彎曲變形,并未系統(tǒng)綜合研究溫度對射擊準確度的影響。本文以國產(chǎn)某小口徑步槍為研究對象,從實驗、理論和仿真3個方面研究小口徑步槍在冷槍和熱槍2種射擊狀態(tài)下平均彈著點偏差,為提高射擊精度提供理論依據(jù)。

1 步槍熱偏實驗

1.1 實驗方案

研究對象為2支國產(chǎn)某小口徑步槍及2種不同廠家的試驗槍彈,分別標1#槍、2#槍,1#彈、2#彈。試驗槍固定夾持在距地面1 m的實驗臺上,對100 m胸環(huán)靶進行試驗射擊。

射擊規(guī)則:先進行20發(fā)單發(fā)精度射擊,求出冷槍狀態(tài)下的平均彈著點偏差,隨后進行150發(fā)的無冷卻射擊,單發(fā)、點射、連發(fā)射彈量分別為10%,70%,20%;再進行20發(fā)單發(fā)精度射擊,求出熱槍狀態(tài)下平均彈著點偏差。

射擊方法:本次試驗共4輪射擊,第1輪用1#槍射擊1#彈,第2輪用1#槍射擊2#彈,第3輪用2#槍射擊1#彈,第4輪用2#槍射擊2#彈。

1.2 槍管溫度測試

每一輪射擊150發(fā)彈后空冷3 min,測槍管外壁溫度,單發(fā)、點射(3～5發(fā))、連發(fā)分別占射彈量的10%,70%,20%,射擊間隔1～2 s。射擊完成后對步槍槍管進行紅外測溫,測出每一輪射擊過程中不同射彈數(shù)r對應的槍管外壁溫度Tt如表1所示。

表1 射擊過程槍管溫度

1.3 熱槍平均彈著點與冷槍平均彈著點偏差測試

對100 m胸環(huán)靶進行射擊,分別測出冷槍和熱槍時期平均彈著點偏差Δ,如表2、表3所示。

表2 1#槍平均彈著點偏差

表3 2#槍平均彈著點偏差

由射擊試驗可看出,發(fā)射1#試驗彈測量的槍管溫度較發(fā)射2#試驗彈高,熱偏也比發(fā)射2#試驗彈明顯,則有初步結(jié)論,即溫度對射擊精度有一定的影響。

2 身管熱彎曲及彈丸出膛口姿態(tài)分析

2.1 身管熱彎曲分析

本文以某小口徑步槍身管為研究對象進行熱力耦合分析,在此基礎上建立身管的三維有限元模型,如圖1所示。

圖1 仿真分析模型

由文獻[8-9]可知,身管材料力學性能隨溫度的變化而變化。身管材料性質(zhì)如彈性模量E、泊松比μ、導熱系數(shù)λ、熱膨脹系數(shù)β及比熱容c隨溫度T的變化如表4所示。

表4 身管材料機械性能參數(shù)

身管材料溫度上升后,其強度與剛度將會下降,其他熱物理特性也會隨之改變。在重力和其他等效外載荷作用下,身管將產(chǎn)生不同的彎曲。

仿真計算時首先求出冷槍狀態(tài)下射擊時身管彎曲量,再將150發(fā)后實驗測量的外壁溫度平均值施加于身管上,求出熱槍狀態(tài)下身管彎曲量。仿真結(jié)束后,身管沿軸線距膛底不同距離x處所對應的彎曲量W如表5所示,身管熱彎曲云圖如圖3所示。

表5 身管沿軸線彎曲量變化

圖2 身管熱彎曲云圖

2.2 彈丸姿態(tài)分析

如圖3所示,α為彈丸質(zhì)心與發(fā)射原點的夾角,用以說明彈丸在膛口的姿態(tài);β為槍管膛口位置與水平軸線的夾角,用以說明射角的改變量。

當槍管受熱彎曲之后,射角增大;同時彎曲的槍管也使彈丸在出膛口時彈軸與槍管軸線不在同一直線上而影響彈丸的飛行軌跡。

圖3 射擊示意圖

根據(jù)簡支梁彎曲變形方程[10],結(jié)合上述仿真計算結(jié)果可以計算出冷槍狀態(tài)下α1=0.000 07°,β1=0.000 45°;熱槍狀態(tài)下α2=0.000 35°,β2=0.000 59°。

3 彈丸擠進過程分析計算

對于槍械,當槍彈以整個彈丸圓柱面全部擠進膛線時,擠進過程完成。彈丸的擠進是一個動態(tài)過程,由于擠進過程很短,因此采用瞬態(tài)動力學對擠進過程進行分析。

3.1 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和槍管。建立該型步槍的彈丸與槍管結(jié)構(gòu)尺寸三維模型并對其進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型以六面體縮減積分線性實體單元為主,有限元分析模型如圖4所示。

圖4 槍管膛線及彈丸被甲網(wǎng)格劃分

為了得到不同溫度下的彈丸擠進壓力,以整個彈丸圓柱面全部擠進膛線為研究過程,身管可以取對彈丸變形產(chǎn)生作用最明顯的位置,彈丸的外殼材料為黃銅,中間套鉛套,最里層為鋼芯。相關(guān)材料的密度ρ、彈性模量E、泊松比μ、屈服強度σf和極限強度σs如表6所示。

表6 彈丸材料機械性能參數(shù)

3.2 彈丸擠進過程的仿真計算

擠進過程是以彈丸圓柱面全部擠進坡膛為結(jié)束標志。擠進坡膛歷時極短,為了排除其他力對擠進的影響,將彈丸位移載荷施加于彈丸,設置槍管外表面為固定約束,接觸類型定義為通用接觸。本節(jié)利用非線性熱力學分別對冷槍及熱槍狀態(tài)下彈丸擠進過程進行仿真計算。

3.2.1 彈丸被甲應力分析

當連發(fā)射擊時,槍管溫度急劇升高,槍彈裝填后彈丸被甲與槍管內(nèi)壁接觸后發(fā)生熱傳導使彈丸被甲表面溫度升高,表7為不同被甲材料溫度T′對應的被甲材料的彈性模量E與屈服強度σf。

表7 不同溫度下被甲材料的力學性能

在彈丸擠進過程中,被甲材料處于屈服或流動狀態(tài),被逐漸推到后方,接觸面積將逐漸增大,陽線會在彈體表面留下刻痕。因此,需要對被甲強度進行分析。選取彈丸上的一條完整的膛線刻痕,分別取彈丸圓柱部前端和后端某處,記錄各節(jié)點應力σ變化情況,仿真計算結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 冷槍狀態(tài)下膛線刻痕應力分布云圖

圖6 熱槍狀態(tài)下膛線刻痕應力分布云圖

不同位置,被甲表面的應力分布不同,由圖7可知,彈丸圓柱部前端先擠入坡膛,彈丸圓柱部前端被甲表面應力變化先于后端。熱槍狀態(tài)下槍管溫度升高,由表4可知槍管彈性模量和屈服強度減小,擠進時較冷槍時容易。

圖7 被甲表面應力曲線

3.2.2 擠進阻力分析

利用被甲表面應力分析,可以獲得彈丸表面應力分布規(guī)律。為了進一步研究溫度場與擠進力之間的關(guān)系,以槍管內(nèi)膛為研究對象,分析坡膛位置在冷槍和熱槍狀態(tài)下應力分布變化,如圖8～圖10所示,進而得出擠進阻力的變化。

由于擠進過程中槍管與被甲直接接觸,分析時可將彈丸對槍管作用的軸向力近似看作彈丸所受的擠進阻力。由圖8～圖10可知,坡膛陽線導轉(zhuǎn)側(cè)的主要作用是使彈丸旋轉(zhuǎn),因此陽線導轉(zhuǎn)側(cè)所受應力較另一側(cè)大;而冷槍時的材料機械性能較熱槍時有了一定的改變,因此內(nèi)膛整體應力冷槍較熱槍更大。將槍管各處應力進行合成,從而得到槍管所受彈丸的作用力,進一步得到彈丸的擠進阻力F隨時間的變化規(guī)律,如圖11所示。

圖8 坡膛某處表面應力曲線

圖9 冷槍坡膛某處表面應力分布云圖

圖10 熱槍坡膛某處表面應力分布云圖

圖11 擠進阻力隨時間變化曲線

由圖11所示的不同時期擠進阻力曲線可知,擠進阻力受溫度及材料力學性能的影響,熱槍的擠進阻力明顯小于冷槍。在忽略擠進加速度的情況下,擠進壓力可近似等于擠進阻力與槍膛橫截面積的比值。

3.3 內(nèi)彈道過程彈丸速度與轉(zhuǎn)速分析

按3.2.2中計算得出的擠進阻力,可求出擠進壓力分別為冷槍狀態(tài)下29.5 MPa、熱槍狀態(tài)下24.6 MPa。通過經(jīng)典內(nèi)彈道方程組可求出彈丸初速,進而得到冷槍、熱槍狀態(tài)下內(nèi)彈道時期彈丸的速度v和轉(zhuǎn)速ω,如圖12、圖13所示。

圖12 彈丸速度

圖13 彈丸轉(zhuǎn)速

由圖12、圖13可知,槍管溫度升高使彈丸初速與出膛口的轉(zhuǎn)速下降,較高的初速使彈道形狀受重力的影響越小,彈道曲線相對平直,彈丸偏移量相對較小,彈丸轉(zhuǎn)速越高,其飛行穩(wěn)定性越好。

4 外彈道對彈著點的影響

通過第2節(jié)的分析可以得出冷槍、熱槍狀態(tài)下槍管熱彎曲及彈丸出膛口的姿態(tài),進而得出射角的理論值。

將所求得的彈丸初速、射角代入外彈道方程組。彈丸在自身重力作用下的飛行軌跡如圖14所示,圖中,Δy1,Δy2分別為冷槍、熱槍的射擊偏差。

由于質(zhì)點外彈道方程忽略了彈丸形狀的影響,因此,只考慮空氣阻力和重力。通過外彈道方程求出彈丸100 m處彈著點。

圖14 彈道曲線示意圖

通過理論分析和仿真計算可以得出:冷槍時彈著點偏差為7.21 cm,實驗測量冷槍彈著點偏差平均值為6.7 cm,誤差為7.6%;熱槍時彈著點偏差為10.26 cm,實驗測量熱槍時彈著點偏差平均值為9.2 cm,誤差為11.5%。冷槍、熱槍偏差與實測值基本吻合。

5 結(jié)論

本文以某小口徑步槍為研究對象,進行了熱偏試驗,同時建立槍管熱-結(jié)構(gòu)耦合分析模型,通過理論分析和仿真計算,得到如下結(jié)論:

①槍管材料溫度越高,則擠進力越小,主要原因是材料溫度上升,彈性模量和屈服強度下降,擠進時彈丸與膛面接觸壓力變小,擠進阻力較低溫時更小。

②槍管溫度越高,其材料機械性能改變程度越大,同樣大小的外載荷作用下,熱槍較冷槍狀態(tài)下身管彎曲量大。

③彈丸擠進力的大小對步槍的射擊精度有較大影響,擠進力影響彈丸的膛口速度。根據(jù)內(nèi)彈道方程組可知,擠進壓力越大,初速越高。相同條件下,彈丸初速越高外彈道越平直。

本文重點研究槍管溫度變化導致的平均彈著點偏差的變化,通過理論分析、仿真計算與實驗測試,得出槍管溫度場對射擊準確度產(chǎn)生較大影響,為提出抑制措施提供了重要參考。

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