某转膛式武器闭气环的结构及动力特性分析

阮伟靖，薛百文，吴 臣，杨 臻

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭 411207)

某转膛式武器闭气环的结构及动力特性分析

阮伟靖1，薛百文1，吴 臣2，杨 臻1

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原030051；2.湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭411207)

为了解决转膛式武器所存在的闭气问题，通过三维建模软件建立闭气活塞、闭气环、身管及弹仓三维模型。根据内弹道公式计算试验样机测得的相关数据,计算所得的膛压作为闭气活塞压力载荷。利用有限元分析软件ANSYS Workbench分析在不同非线性材料闭气环条件下的闭气活塞运动特性和闭气面上的闭气压力特性。根据分析闭气活塞的刚柔耦合模型所得到的结果，选择闭气环的材料，为转膛式武器的闭气环设计提供依据。

兵器科学与技术；闭气环；瞬态分析；转膛式武器

在武器发射过程中，闭气的可靠性尤为重要。金冰[1]针对各种密封形式的特点和应用条件进行了介绍。在火炮方面，刘心和等[2]研究了带金属闭气环楔式炮闩闭气结构的特点和性能。张美增等[3]提出了采取铜和不锈钢相结合的金属密封形式。在高射速机枪方面，崔勇[4]阐述了工程塑料在14.5mm脱壳弹闭气环的应用研究情况。

转膛式武器方面上对闭气的相关研究较少，因身管与弹膛分离，导致结构上存在间隙与同轴误差。因此，闭气环的闭气可靠是保证转膛式武器发射成功的必要条件。为保证闭气的可靠性，在内弹道结束前闭气环面的接触压力要始终比闭气环接触缝隙处的膛压值要高。其次闭气环在内弹道过程中要满足材料强度，防止应力过大失效导致闭气不可靠。笔者根据某转膛武器的需求，设计一种锥形结构的闭气环，然后通过ANSYS Workbench仿真分析软件就不同非线性材料的闭气环条件下，对闭气活塞运动特性和闭气压力特性进行分析。采用瞬态动力学方法研究不同材料的闭气环对闭气活塞闭气性能和运动参数的影响。根据闭气活塞刚柔耦合模型分析[5]得出的结果，为闭气活塞闭气环材料的选择提供设计依据。

1 闭气的工作原理

笔者采用锥形闭气环[6]，其修正同轴度原理如图1所示，当弹膛转动到位后，由于机构的间隙或电机误差导致弹膛不能与身管轴线对正时存在Δx的误差。当火药燃气对闭气活塞的推动力F时，通过锥形面会对弹仓产生一个侧向分力Fn，该力使弹仓偏转直至抵消Δx，保证了弹膛与身管的同轴度。

某转膛武器的闭气工作原理如图2所示。凸轮机构推动闭气活塞前伸，然后闭气活塞与身管配合，从而实现弹丸的可靠导引。闭气活塞前端固定有闭气环，为避免凸轮顶死，身管与闭气环配合面之间仍留有一段自由运动行程，即闭气行程，火药燃气推动闭气活塞向前运动使锥面贴紧，从而完成闭气行程。

2 闭气分析的前处理

2.1三维建模

利用三维建模软件UG8.0建立闭气活塞、闭气环、身管及弹仓三维模型，由于身管和活塞等都为对称结构，可将该模型简化为1/4模型并导入ANSYSWorkbench仿真软件中，导入后模型如图3所示。

2.2压力载荷计算

根据2MPa点火压力以及装药密度，用相关内弹道方程[7]计算膛压，作为压力载荷。

(1)

式中变量定义可参考文献[7]，在此不作赘述。用数值分析软件MATLAB计算得出的压力载荷数值曲线[8],如图4所示。

2.3仿真分析前处理

将上述所得的压力载荷和简化模型等条件在ANSYSWorkbench中进行仿真分析前处理。针对表1所示的不同材料闭气环，进行闭气环的特性仿真分析[9]。

表1 不同材料闭气环材料表

对简化后的模型进行网格划分，划分后的模型如图5所示。

将划分网格后的模型进行边界与载荷条件的设置：将身管和弹仓固定，活塞与弹仓、闭气环和身管之间为实体接触约束。活塞内部和末端施加压力载荷如图6、7所示。

3 仿真结果分析

在进行轴对称分析时，可采用结果拓展方法，即将待分析模型拆分成相对简单的结构进行分析，在读取结果文件时进行结果拓展，从而方便不同参数对比。

根据以下3点提取仿真结果中相应的应力云图：

1)闭气锥面第1次接触时。此时发生第1次反跳，膛压值还不是很大，但在第1次反跳时有出现接触间隙的可能性，因此第1次反跳是检验漏气现象是否发生的关键点。

2)最大膛压时。此时接触间隙处膛压很大，闭气活塞接触压力能否克服最大膛压是检验漏气是否发生的另一个关键点。

3)闭气活塞最大位移处。此处闭气环变形量最大，可以检验闭气环强度。

依据以上对闭气环分析结果，提取各结果数据绘制曲线。

通过对4种材料的闭气环进行分析，得出4种条件下的闭气活塞闭气锥面接触正压力曲线,如图8所示。

通过图8中的曲线可以看出铜合金和不锈钢材料闭气环在锥面接触后产生塑性变形，在1.2ms时，闭气活塞前端平面撞击身管尾端面平面，由于闭气环塑性变形量不能完全恢复，导致接触压力迅速降低，与图4压力载荷曲线相比低于该点膛压压力，这会导致漏气现象发生，因此铜合金与不锈钢材料闭气环不能满足闭气效果。如图8所示，尼龙材料闭气环闭气活塞运动1.2ms并撞击身管尾端面时，接触压力值约400MPa，大于内弹道最大膛压值，但此时已经远远超过尼龙材料的强度极限，所以尼龙材料不适合作为闭气环材料。

如图9所示，由不锈钢、铜合金、高强度尼龙、合金钢4种不同材料制作的闭气环，各锥型面接触压力始终处于500MPa以上，该值远远大于内弹道膛压最大值，说明使用闭气环闭气效果良好。

由合金钢、不锈钢、铜合金、高强度尼龙4种不同材料制作的闭气环在闭气过程中的位移如图10所示。

如图10所示，30GrMnMoTiA合金钢材料闭气环由于屈服强度高，导致变形量小，闭气活塞最大位移只有0.8mm，闭气活塞前端面与身管尾端面未出现撞击。通过分析可知，闭气环材料采用30GrMnMoTiA合金材料，闭气效果最好。由于闭气活塞材料也是30GrMnMoTiA材料，因此在进行结构设计时可以将二者设计为一个整体，这样可以简化装配，改善工艺并提高系统可靠性。图11为依据分析计算结果设计的闭气活塞和闭气环在试验样机上进行试验。试验样机的闭气面无气漏痕迹，膛压无明显波动。闭气环的闭气效果良好，与理论分析的结果相一致。

4 结论

笔者通过对闭气活塞的闭气作用展开讨论，研究了转膛式武器所存在的关键问题——闭气效果,探索不同材料的闭气环对闭气效果的影响。

利用ANSYSWorkbench仿真分析软件针对不同材料的锥面闭气环，分析其在闭气活塞尾部膛压条件下的弹塑性变化，得出以下结论：

1)采用低屈服强度的铜合金与不锈钢材料闭气环在高膛压作用下出现塑性变形，闭气活塞产生较大位移导致闭气活塞前端面撞击身管尾部，闭气活塞出现反跳，由于产生塑性变形在反跳过程中变形恢复不能补偿反跳量导致接触压力迅速下降，存在漏气危险。

2)采用高弹性尼龙闭气环，虽然接触面压力一直高于膛压，但是接触压力严重超出尼龙材料强度，出现压溃，对闭气效果不利。

3)采用30GrMnMoTiA合金钢材料的闭气环虽然出现弹跳现象但仅在锥面开始接触时出现，并且接触压力未超过屈服极限，30GrMnMoTiA材料的闭气环一直处于弹性变形状态，且闭气面接触压力一直大于膛压峰值，保证了闭气的可靠。

笔者通过分析不同材料闭气环得出的结论，为转膛式武器的闭气环的设计与材料选择提供了理论依据。

References)

[1] 金冰.密封技术的发展过程及其应用[J].汽车工艺与材料,2007(12):59-63. JIN Bing.Development process of sealing technology and its application[J].Automobile Technology & Material,2007(12):59-63.(in Chinese)

[2] 刘心和,郭宏图.大口径火炮炮闩结构的发展——谈带金属闭气环的楔式炮闩[J].现代兵器,1989(9):17-19,25. LIU Xinhe,GUO Hongtu.The large-caliber gun breech block structure development：discussed the belt metal shuts the gas ring the wedge type breech block[J].Modern Weaponry,1989(9):17-19,25.(in Chinese)

[3] 张美增,刘力,宋建军,等.实验用钢筒的密封结构设计[J].现代制造工程,2004(4):92-93. ZHANG Meizeng,LIU Li，SONG Jianjun，et al.Design of sealing structure of steel tube for experiment[J]. Modern Manufacturing Engineering,2004(4):92-93.(in Chinese)

[4] 崔勇.02式14.5mm脱壳弹塑料弹托闭气环研究[J].四川兵工学报,2003,24(3):32-35. CUI Yong.Study on supporting obturator ring type0214.5mm APDS plastic[J].Journal of Sichuan Ordnance,2003,24(3):32-35.(in Chinese)

[5] 洪嘉振,刘铸永.刚柔耦合动力学的建模方法[J].上海交通大学学报,2008,42(11):1922-1926. HONG Jiazhen,LIU Zhuyong.The modeling method of rigid flexible coupling dynamics[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2008,42(11):1922-1926.(in Chinese)

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[7] 金志明. 枪炮内弹道学[M].北京：北京理工大学出版社,2011:78-80. JIN Zhiming.Interior ballistics of guns[M]. Beijing:Beijing Institute of Technologg Press,2011:78-80.

[8] 杜中华,吴松.基于数值仿真的某型火炮身管设计压力曲线系统分析[J].机械,2015,42(3):9-13,33. DU Zhonghua,WU Song.Systematic analysis on certain gun tube design pressure curve based on numerical simulation[J].Machinery,2015,42(3):9-13,33.(in Chinese)

[9] 巨文涛,代卫卫.ANSYS Workbench在结构瞬态动力学分析中的应用[J].内蒙古煤炭经济,2014(8):110-113. JU Wentao,DAI Weiwei.Application of ANSYS Workbench in structural transient dynamic analysis[J].Inner Mongolia Coal Economy,2014(8):110-113.(in Chinese)

AnalysisofStructureandDynamicCharacteristicofaRevolverWeapon’sObturatorRing

RUAN Weijing1,XUE Baiwen1,WU Chen2,YANG Zhen1

(1.College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan030051, Shanxi, China；2.Hunan Defense Industry Polytechnic, Xiangtan411207, Hunan, China)

For the purposes of solving the problems of obturation in revolver weapon,3D modelings of gas piston, obturator ring, barrel and magazine were established through the3D modeling software. According to the relevant statistics from the experiment prototype obtained by calcultating with the internal ballistic trajectory calculation formula, the obtained gun pressure is used as the pressure load of gas piston. Then an analysis was conducted of the characteristics of the gas piston motion and the obturating pressure on the obturated surface under the different non-linear material obturator ring conditions by using finite element analysis software ANSYS Workbench.According to results of the analysis of the gas piston rigid flexible coupling model, the obturator ring’s material was to be chosen, which provides the basis for the design of the revolving weapon’s obturator ring.

ordnance science and technology；obturator ring; analysis of transient dynamic;revol-ving weapon

TJ279

： A

：1673-6524(2017)03-0020-05

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.005

2016-09-26

阮伟靖(1993—)，男，硕士研究生，主要从事结构动力学分析及优化设计研究。E-mail：rwj6925@163.com