單兵肩射武器發射筒前蓋破片后飛分析與改進

劉成倩，陳 幫,王 健，李軍福，甘小紅

(1.中國人民解放軍駐九三七三廠軍代室， 安徽 蚌埠 233010； 2.駐南京地區軍代局，南京 210024；3.安徽省方圓機電股份有限公司， 安徽 蚌埠 233010)

前蓋固定于發射筒的前端，是武器發射系統研制中的重要環節。目前發射筒前蓋分為三種：機械開關蓋、爆破式前蓋和穿透式前蓋。

穿透式前蓋憑借其結構簡單，不需開蓋，密封性強，易維修等特點，大量裝備于武器發射筒。國內對于穿透式前蓋性能研究都已開展，如許壽彭、蔡德詠和曹蘇雅拉圖等利用仿真軟件對前蓋進行計算，得到了前蓋破碎特性[1-3]；國外應用如美國“戰斧”、英國“海鷗”、德國“羅蘭特”等[4]。

穿透式前蓋一方面要保證彈體不受影響，彈丸安全無損，外彈道穩定，另一方面也要保證前蓋破片飛散軌道穩定，發射筒的安全防護[5，6]。某型單兵肩射武器在打靶試驗中，出現前蓋破片后飛現象，針對這一現象，從設計和安全防護角度出發，分析破片的后飛機理，并提出改進措施，結合仿真計算和試驗驗證。

1 前蓋穿透結構

穿透結構由彈丸、發射筒、前蓋構成。前蓋采用鋁板材料，分12瓣，并預制了應力槽。發射時，前蓋受到彈丸頭部撞擊，產生前蓋破片，破片隨著彈丸出膛向前飛散。前蓋穿透結構如圖1所示，前蓋結構如圖2。

圖1 前蓋穿透結構示意圖

圖2 前蓋結構示意圖

2 破片后飛機理

發射時前蓋受到彈丸頭部的沖擊，軸線中心部位沿應力槽向四周外圍撕裂翻轉成扇形卷狀，在彈丸未完全出膛時，彈丸向前蓋施加了軸向作用力，同時扇形蓋片受到根部的拉扯作用，使得扇形具有反發射方向和徑向的動量分量。若蓋片根部被彈丸牽扯拉斷，且其質心超出變形環組件前段外邊緣時，碎片就會后飛。破片形成過程如圖3所示，破片形態和質心位置如圖4所示。

采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對前蓋受彈丸頭部沖擊的瞬態動力學進行仿真計算。模型由前蓋、連接環和彈丸組成。其中前蓋采用膠接(glue)命令與連接環連接為一體，模擬彈與前蓋初始間距為5 mm。前蓋、連接環和彈丸都采用八節點六面體solid164單元，網格劃分采用自由網格劃分方式進行，網格劃分后共形成23 656個節點、74 100個單元和3個部件(part)。仿真模型如圖5所示。

圖3 破片形成過程

圖4 破片形態和質心位置

圖5 前蓋與連接環、彈丸仿真模型

有限元仿真計算時前蓋為鋁合金1060A，連接環為鋁合金7A04，都采用塑性隨動硬化材料(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)模型。模擬彈為剛性體材料模型(MAT_RIGID)。后期為了防止前蓋后飛傷人試件的發生，在前蓋前端加上了防護圈，防護圈為橡膠材料，在這里為了減少計算量，設定為剛性體材料模型(MAT_RIGID)。材料力學參數見表1。

表1 材料力學性能參數

計算時前蓋與連接環、彈丸為自動普通接觸，彈的初速為130 m/s,并設定好其它求解控制參數，然后進行求解。前蓋破碎的動態顯示，如圖6所示，顯示了不同時刻前蓋的破碎情況。

仿真結果顯示，彈與前蓋碰撞時，前蓋中心位置的預制槽先破裂，之后不斷被推開，然后中間部位的預制槽開始破裂，在1.0 ms時共計形成7片碎片，其中1片3瓣相連，3片2瓣相連和單獨3瓣，在彈的沖擊下，7片碎片后翻并與變形環相撞，最后中心圓片斷裂并往后飛，與實彈射擊試驗過程中觀察到的中心圓片后飛的現象基本一致。

圖6 無防護圈前蓋破碎過程

3 改進措施

為保證操作安全，阻止破片后飛，綜合考慮破片后飛機理后，提出增加擴展防護圈的優化方案，具體如下：

① 防護圈選用發泡材料制成，結構上采用鑲嵌式粘接，以增強粘接強度；

② 優化擴展防護圈結構尺寸，增強抗彎能力。

改進后防護圈結構如圖7所示。

圖7 改進后防護圈結構

為進一步驗證改進后防護圈防止前蓋碎片后飛的有效性，采用有限元仿真計算進行分析。計算條件與材料模型與前蓋無防護圈有限元仿真相同。仿真結果如圖8所示。

計算表明，彈與前蓋碰撞時，前蓋中心位置的預制槽先破裂，之后不斷被推開，中心圓片與6瓣前蓋相連。隨著彈的前進，中間部位的預制槽破裂不斷放大，中心圓片與最終與1瓣前蓋相連，并最終斷裂。前蓋在0.6 ms時共計形成7片碎片，其中1片3瓣相連，3片2瓣相連和單獨的3瓣，在彈的沖擊下，7片碎片后翻并與制動環和擴展防護圈相撞，但未發生碎片后飛現象。

圖8 有防護圈前蓋破碎過程

4 射擊試驗

通過射擊試驗對改進后防護圈的安全防護能力進行驗證，同時考察防護圈的改動對武器系統的戰術技術指標及性能的影響。

試驗中發射筒采用固定炮架固定，發射時布置高速攝像機觀測前后蓋碎片飛行狀況。射擊過程破片飛散過程如圖9所示。

試驗結束后發射筒防護圈狀態如圖10所示。

圖9 破片飛散過程

圖10 試驗后防護圈狀態

試驗結果：通過高速攝像拍攝的破片飛行狀態，得出前蓋被擊后，破片均向前飛行，略有與防護圈碰撞現象，但未造成后飛，防護圈無變形，試驗與仿真結果基本吻合。進行多輪驗證試驗后，均無破片后飛發生，防護圈基本完好無損。

5 結論

1) 破片由破片根部拉扯后翻轉，超過防護圈最大尺寸，產生后飛，結合仿真計算得到驗證。

2) 增大拓展防護圈，并加強其材料硬度，通過有限元仿真和試驗論證，得出改進后的防護圈能有效阻止前蓋破片后飛，保證武器系統發射的安全可靠。