某導(dǎo)氣式自動武器導(dǎo)氣室壓力仿真

吳佳男，王文杰，譚繼宇

(中國兵器工業(yè)第208研究所， 北京 102202)

自動機(jī)在自動武器中占有重要位置，它是自動武器的核心組成部分，決定著自動武器的火力性能以及主要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。導(dǎo)氣式自動機(jī)在現(xiàn)代自動武器中應(yīng)用最廣，絕大部分都是采用身管側(cè)向排氣和活塞向后運(yùn)動的形式。該類自動機(jī)可以通過改變導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而獲得大小不同的工作量，比如改變導(dǎo)氣孔直徑，導(dǎo)氣孔在身管上的位置，氣室初始容積，活塞與氣室間隙等。所以在步槍、機(jī)槍及小口徑自動炮上應(yīng)用最廣[1]。

導(dǎo)氣室壓力是導(dǎo)氣式自動武器動力的來源，目前導(dǎo)氣室壓力采用布拉文經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算[2]，廣泛運(yùn)用在自動步槍發(fā)射動力學(xué)仿真中。布拉文經(jīng)驗(yàn)公式獲得的導(dǎo)氣式自動武器導(dǎo)氣室壓力廣泛的應(yīng)用于自動武器自動機(jī)部件碰撞對步槍射擊精度的影響分析[3]、自動武器彈性拋殼過程分析[4]、導(dǎo)氣孔位置及直徑對自動機(jī)速度影響分析[5]、活動零部件動力學(xué)特性和自動機(jī)沖擊載荷分析[6]；陳龍淼進(jìn)行了一種彈丸高速擠進(jìn)過程動態(tài)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及仿真分析研究[7]，孫全兆、陸野、樊黎霞[8-10]等對彈丸擠進(jìn)阻力進(jìn)行了一系列數(shù)值仿真研究，對不同結(jié)構(gòu)槍管、彈丸的擠進(jìn)阻力等進(jìn)行了仿真的定量分析。

Pumplinx軟件是美國Simerics公司開發(fā)的計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件，同時(shí)可以考慮運(yùn)動部件的響應(yīng)，模擬流體與剛體運(yùn)動部件的相互作用[11]。

由于布拉文經(jīng)驗(yàn)公式的局限性，并未考慮導(dǎo)氣室的形狀、活塞與機(jī)框的運(yùn)動，且對有泄氣孔的導(dǎo)氣室沒有考慮在內(nèi)。因此布拉文公式對結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則的導(dǎo)氣室預(yù)測精度較差，不能滿足現(xiàn)階段動力學(xué)仿真對輸入條件準(zhǔn)確度的要求。本研究針對某型號5.8 mm步槍自動機(jī)一定時(shí)間內(nèi)后坐過程進(jìn)行仿真分析，模擬了該時(shí)間段內(nèi)燃?xì)獾牧鲃樱梢詾閯恿W(xué)仿真提出較為準(zhǔn)確的活塞聚氣面壓力曲線。研究結(jié)果對縮短輕武器研發(fā)周期具有重要意義。

1 物理與計(jì)算模型

1.1 基本假設(shè)

1) 不考慮彈丸擠進(jìn)及燃?xì)饬鲃訉尮芗皩?dǎo)氣室的燒蝕；

2) 不考慮流動中化學(xué)反應(yīng)的影響；

3) 不考慮熱輻射對壁面的傳熱；

4) 各運(yùn)動部件均作剛體處理；

5) 忽略開鎖過程中機(jī)框、機(jī)頭、機(jī)匣等零件間摩擦力的作用；

6) 彈簧內(nèi)耗忽略不計(jì)。

1.2 物理模型

導(dǎo)氣式自動機(jī)工作原理：擊針打擊槍彈底火后，彈丸在火藥燃?xì)鈮毫ψ饔孟孪蚯斑\(yùn)動；彈丸通過導(dǎo)氣孔后，一部分火藥燃?xì)庥蓪?dǎo)氣孔進(jìn)入氣室，推動活塞桿及與活塞桿相關(guān)聯(lián)的原動件(機(jī)框)向后運(yùn)動，原動件走完自由行程后，身管壓力逐漸下降，進(jìn)入安全開鎖時(shí)期，機(jī)框帶動機(jī)頭開鎖。導(dǎo)氣式自動機(jī)相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。

圖1 導(dǎo)氣式自動機(jī)相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.3.1計(jì)算區(qū)域

圖2為導(dǎo)氣室流場仿真計(jì)算區(qū)域，計(jì)算區(qū)域由槍管、彈丸、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)器座、活塞桿包圍形成的內(nèi)流場及外流場組成。其中，為了保證Pumplinx運(yùn)動模塊功能實(shí)現(xiàn)活塞桿與調(diào)節(jié)器初始間隙設(shè)置為0.1 mm。

圖2 Pumplinx仿真計(jì)算區(qū)域

1.3.2邊界條件

1) 入口條件：膛底采用壓強(qiáng)入口邊界條件，通過內(nèi)彈道程序確定膛底壓力，燃?xì)鉁囟? 700 K。

2) 除流體力外作用在彈丸的其他力：輸入彈丸擠進(jìn)坡膛擠進(jìn)阻力，參考火炮壓力機(jī)將彈丸壓進(jìn)膛線的實(shí)驗(yàn)得出的槍械彈丸的擠進(jìn)阻力曲線。圖3所示為彈丸擠進(jìn)阻力曲線，橫坐標(biāo)代表彈丸行程，縱坐標(biāo)代表壓進(jìn)不同距離所施加的壓力，當(dāng)彈丸整個圓柱面全部擠進(jìn)膛線擠進(jìn)壓力趨于穩(wěn)定。

圖3 彈丸擠進(jìn)阻力曲線

3) 出口條件：出口壓力設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.101 325 MPa，溫度300 K。

4) 彈丸、活塞桿運(yùn)動邊界：賦予對應(yīng)運(yùn)動邊界Valve、Valve end、Cylinder邊界條件。

1.3.3自動機(jī)關(guān)聯(lián)零件剛體運(yùn)動簡化

本研究模擬的時(shí)間段為，從活塞桿開始運(yùn)動到活塞桿撞擊到節(jié)套活塞桿限位面處，在此過程中活塞桿與機(jī)框、機(jī)框與緩沖器并未發(fā)生碰撞分離情況，因此可以把活塞桿、機(jī)框和緩沖器簡化為一個剛體；同時(shí)由于忽略了開鎖過程中的摩擦阻力，開鎖結(jié)束后，機(jī)框帶動質(zhì)量增加。因此，給剛體賦予一個隨位移變化的質(zhì)量，在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，提高計(jì)算效率。

1.3.4網(wǎng)格劃分

根據(jù)Pumplinx的計(jì)算模式，分別對進(jìn)口區(qū)域、彈丸前、彈丸、彈丸后、膛口外流場、導(dǎo)氣孔、導(dǎo)氣室固定流場區(qū)域、導(dǎo)氣室運(yùn)動流場區(qū)域、活塞桿出口流場區(qū)域劃分網(wǎng)格，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格模型

2 仿真結(jié)果

2.1 彈丸運(yùn)動分析

仿真結(jié)果與內(nèi)彈道彈丸速度曲線如圖5所示。仿真計(jì)算中，彈丸0.9 ms出膛口，初速852 m/s;內(nèi)彈道彈丸0.954 ms出膛口，初速846 m/s。對比分析可發(fā)現(xiàn)：仿真結(jié)果彈丸速度曲線與試驗(yàn)曲線趨勢一致，仿真計(jì)算中彈丸速度較快，比內(nèi)彈道計(jì)算中提前出膛口。仿真誤差在可控范圍內(nèi)，仿真誤差來源可能是由于槍彈在膛內(nèi)摩擦阻力較大緣故造成，摩擦阻力需要進(jìn)一步通過壓力機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。初速與內(nèi)彈道對比誤差為0.7%，出膛口時(shí)間與內(nèi)彈道對比誤差為5.7%，有力的說明了該仿真模型是可靠的、可信的，可以用于彈丸運(yùn)動及膛內(nèi)流場仿真分析。

圖5 彈丸速度曲線

2.2 擠進(jìn)阻力影響分析

分別進(jìn)行考慮擠進(jìn)阻力及忽略擠進(jìn)阻力兩種情況的仿真分析。兩種情況下壓力進(jìn)口條件都采用內(nèi)彈道膛底壓力曲線，考慮擠進(jìn)阻力的仿真輸入條件需要在建模過程中輸入彈丸擠進(jìn)阻力曲線。由圖6可得：考慮擠進(jìn)阻力的彈丸速度曲線與內(nèi)彈道速度曲線一致性較好；在內(nèi)彈道彈丸擠進(jìn)坡膛時(shí)期，若忽略擠進(jìn)阻力，彈丸加速度、速度不符合實(shí)際情況；考慮擠進(jìn)阻力的仿真結(jié)果與內(nèi)彈道結(jié)果依然存在一定的誤差，分析誤差來源可能是擠進(jìn)阻力曲線有一定的誤差造成的，由于槍管、彈丸在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)方面的多變性，采用通用的擠進(jìn)阻力曲線會存在一定的誤差，需要通過壓力機(jī)試驗(yàn)來確定擠進(jìn)阻力。考慮擠進(jìn)阻力可以極大地提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖6 擠進(jìn)阻力對彈丸速度影響

2.3 活塞桿速度分析

通過激光測速儀測量活塞桿及機(jī)框速度曲線，在活塞桿未到達(dá)限位面時(shí)，活塞桿與機(jī)框速度一致，證明了活塞桿與機(jī)框未發(fā)生碰撞分離情況，自動機(jī)試驗(yàn)速度曲線如圖7所示。因此在Pumplinx運(yùn)動機(jī)械流體力學(xué)仿真中，可以將速度一致且不影響流場分布的零件作為一個剛體進(jìn)行建模。

圖7 自動機(jī)速度曲線

自動機(jī)速度曲線對比中，試驗(yàn)曲線的選取采用槍械首發(fā)自動機(jī)速度曲線。觀察圖7可發(fā)現(xiàn)：仿真曲線中活塞桿經(jīng)過3.33 ms到達(dá)限位面，試驗(yàn)曲線中活塞桿經(jīng)過4.742 ms到達(dá)限位面；仿真曲線與試驗(yàn)曲線前期誤差較小，后期有較大誤差。推斷前期誤差較小的原因是自動機(jī)處于自由行程，自動機(jī)運(yùn)動阻力較小；自由行程結(jié)束后，進(jìn)入開鎖階段，而開鎖階段自動機(jī)運(yùn)動阻力并沒有考慮在內(nèi)，造成了開鎖階段自動機(jī)速度曲線誤差較大。本文的仿真方法研究主要是為槍械動力特性研究提供輸入活塞聚氣面壓力曲線，而自動機(jī)開鎖時(shí)期的速度對導(dǎo)氣室內(nèi)壓力沒有明顯的影響，因此本文的活塞聚氣面壓力曲線作為動力學(xué)軟件的輸入條件是可信的。活塞聚氣面壓力曲線如圖8所示。

圖8 活塞聚氣面壓力曲線

3 結(jié)論

1) 彈丸擠進(jìn)坡膛的擠進(jìn)阻力對彈丸速度影響較大，考慮擠進(jìn)阻力可以有效提高仿真結(jié)果準(zhǔn)確性。

2) 活塞桿及與機(jī)框后坐相關(guān)聯(lián)零件簡化建模方法在活塞桿與機(jī)框尚未分離情況下是可行的。

3) 自動機(jī)開鎖階段的開鎖阻力對自動機(jī)速度影響較大。

4) 活塞聚氣面壓力曲線作為槍械動力特性仿真研究的輸入條件是可信的。