射击过程中身管温度升高对射击准确度的影响

蓝维彬,杨 臻,龙建华,薛 钧

(1.中北大学 机电工程学院,山西 太原 030051;2.重庆建设工业(集团)有限责任公司,重庆 400054;3.中国兵器工业第208研究所,北京102202)

枪管在工作中要承受高温、高压、高速气体的冲击,在火药燃气的作用下其内壁温度不断升高,并向外壁传递热量而使整个枪管温度上升。而温度的变化会导致枪管材料力学性能发生改变,不仅会使枪管在射击中发生弯曲变形,改变射角;还会影响弹丸挤进过程,使初速发生变化。因此,研究温度的影响对揭示步枪热偏问题具有重要意义。

目前该领域的研究主要是采用试验方法。朵英贤院士曾对此提出质疑,认为试验法耗弹量过大且仍未得到有效解决热偏问题的要领[1]。在理论研究方面,文献[2]研究了某狙击步枪准静态弹头挤进力,建立了数值仿真模型,推导了挤进力的理论计算公式,得出了狙击步枪弹挤进过程与弹/枪参数匹配机理;文献[3]针对依靠观察和实验难以解决的弹丸在枪管挤进过程中带有过盈摩擦大变形接触的难题,建立了弹丸挤进枪管的有限元模型,分析了挤进前后弹头壳和铅芯的变形特征及挤进结束后弹丸的残余应力;文献[4]将有限元与数值仿真分析相结合,得出某大口径机枪满足弹头初速条件的坡膛角度取值和弹丸挤进阻力的变化规律;文献[5]考虑了高速挤进过程中应变率对弹丸材料的影响。文献[6-7]通过非线性热力学研究了火炮身管在温度场作用下的弯曲变形。

上述研究大部分是针对常温下弹丸的挤进过程及身管的弯曲变形,并未系统综合研究温度对射击准确度的影响。本文以国产某小口径步枪为研究对象,从实验、理论和仿真3个方面研究小口径步枪在冷枪和热枪2种射击状态下平均弹着点偏差,为提高射击精度提供理论依据。

1 步枪热偏实验

1.1 实验方案

研究对象为2支国产某小口径步枪及2种不同厂家的试验枪弹,分别标1#枪、2#枪,1#弹、2#弹。试验枪固定夹持在距地面1 m的实验台上,对100 m胸环靶进行试验射击。

射击规则:先进行20发单发精度射击,求出冷枪状态下的平均弹着点偏差,随后进行150发的无冷却射击,单发、点射、连发射弹量分别为10%,70%,20%;再进行20发单发精度射击,求出热枪状态下平均弹着点偏差。

射击方法:本次试验共4轮射击,第1轮用1#枪射击1#弹,第2轮用1#枪射击2#弹,第3轮用2#枪射击1#弹,第4轮用2#枪射击2#弹。

1.2 枪管温度测试

每一轮射击150发弹后空冷3 min,测枪管外壁温度,单发、点射(3～5发)、连发分别占射弹量的10%,70%,20%,射击间隔1～2 s。射击完成后对步枪枪管进行红外测温,测出每一轮射击过程中不同射弹数r对应的枪管外壁温度Tt如表1所示。

表1 射击过程枪管温度

1.3 热枪平均弹着点与冷枪平均弹着点偏差测试

对100 m胸环靶进行射击,分别测出冷枪和热枪时期平均弹着点偏差Δ,如表2、表3所示。

表2 1#枪平均弹着点偏差

表3 2#枪平均弹着点偏差

由射击试验可看出,发射1#试验弹测量的枪管温度较发射2#试验弹高,热偏也比发射2#试验弹明显,则有初步结论,即温度对射击精度有一定的影响。

2 身管热弯曲及弹丸出膛口姿态分析

2.1 身管热弯曲分析

本文以某小口径步枪身管为研究对象进行热力耦合分析,在此基础上建立身管的三维有限元模型,如图1所示。

图1 仿真分析模型

由文献[8-9]可知,身管材料力学性能随温度的变化而变化。身管材料性质如弹性模量E、泊松比μ、导热系数λ、热膨胀系数β及比热容c随温度T的变化如表4所示。

表4 身管材料机械性能参数

身管材料温度上升后,其强度与刚度将会下降,其他热物理特性也会随之改变。在重力和其他等效外载荷作用下,身管将产生不同的弯曲。

仿真计算时首先求出冷枪状态下射击时身管弯曲量,再将150发后实验测量的外壁温度平均值施加于身管上,求出热枪状态下身管弯曲量。仿真结束后,身管沿轴线距膛底不同距离x处所对应的弯曲量W如表5所示,身管热弯曲云图如图3所示。

表5 身管沿轴线弯曲量变化

图2 身管热弯曲云图

2.2 弹丸姿态分析

如图3所示,α为弹丸质心与发射原点的夹角,用以说明弹丸在膛口的姿态;β为枪管膛口位置与水平轴线的夹角,用以说明射角的改变量。

当枪管受热弯曲之后,射角增大;同时弯曲的枪管也使弹丸在出膛口时弹轴与枪管轴线不在同一直线上而影响弹丸的飞行轨迹。

图3 射击示意图

根据简支梁弯曲变形方程[10],结合上述仿真计算结果可以计算出冷枪状态下α1=0.000 07°,β1=0.000 45°;热枪状态下α2=0.000 35°,β2=0.000 59°。

3 弹丸挤进过程分析计算

对于枪械,当枪弹以整个弹丸圆柱面全部挤进膛线时,挤进过程完成。弹丸的挤进是一个动态过程,由于挤进过程很短,因此采用瞬态动力学对挤进过程进行分析。

3.1 挤进模型的建立

对于弹丸挤进问题的研究,主要研究对象为铜被甲和枪管。建立该型步枪的弹丸与枪管结构尺寸三维模型并对其进行网格划分,网格类型以六面体缩减积分线性实体单元为主,有限元分析模型如图4所示。

图4 枪管膛线及弹丸被甲网格划分

为了得到不同温度下的弹丸挤进压力,以整个弹丸圆柱面全部挤进膛线为研究过程,身管可以取对弹丸变形产生作用最明显的位置,弹丸的外壳材料为黄铜,中间套铅套,最里层为钢芯。相关材料的密度ρ、弹性模量E、泊松比μ、屈服强度σf和极限强度σs如表6所示。

表6 弹丸材料机械性能参数

3.2 弹丸挤进过程的仿真计算

挤进过程是以弹丸圆柱面全部挤进坡膛为结束标志。挤进坡膛历时极短,为了排除其他力对挤进的影响,将弹丸位移载荷施加于弹丸,设置枪管外表面为固定约束,接触类型定义为通用接触。本节利用非线性热力学分别对冷枪及热枪状态下弹丸挤进过程进行仿真计算。

3.2.1 弹丸被甲应力分析

当连发射击时,枪管温度急剧升高,枪弹装填后弹丸被甲与枪管内壁接触后发生热传导使弹丸被甲表面温度升高,表7为不同被甲材料温度T′对应的被甲材料的弹性模量E与屈服强度σf。

表7 不同温度下被甲材料的力学性能

在弹丸挤进过程中,被甲材料处于屈服或流动状态,被逐渐推到后方,接触面积将逐渐增大,阳线会在弹体表面留下刻痕。因此,需要对被甲强度进行分析。选取弹丸上的一条完整的膛线刻痕,分别取弹丸圆柱部前端和后端某处,记录各节点应力σ变化情况,仿真计算结果如图5～图7所示。

图5 冷枪状态下膛线刻痕应力分布云图

图6 热枪状态下膛线刻痕应力分布云图

不同位置,被甲表面的应力分布不同,由图7可知,弹丸圆柱部前端先挤入坡膛,弹丸圆柱部前端被甲表面应力变化先于后端。热枪状态下枪管温度升高,由表4可知枪管弹性模量和屈服强度减小,挤进时较冷枪时容易。

图7 被甲表面应力曲线

3.2.2 挤进阻力分析

利用被甲表面应力分析,可以获得弹丸表面应力分布规律。为了进一步研究温度场与挤进力之间的关系,以枪管内膛为研究对象,分析坡膛位置在冷枪和热枪状态下应力分布变化,如图8～图10所示,进而得出挤进阻力的变化。

由于挤进过程中枪管与被甲直接接触,分析时可将弹丸对枪管作用的轴向力近似看作弹丸所受的挤进阻力。由图8～图10可知,坡膛阳线导转侧的主要作用是使弹丸旋转,因此阳线导转侧所受应力较另一侧大;而冷枪时的材料机械性能较热枪时有了一定的改变,因此内膛整体应力冷枪较热枪更大。将枪管各处应力进行合成,从而得到枪管所受弹丸的作用力,进一步得到弹丸的挤进阻力F随时间的变化规律,如图11所示。

图8 坡膛某处表面应力曲线

图9 冷枪坡膛某处表面应力分布云图

图10 热枪坡膛某处表面应力分布云图

图11 挤进阻力随时间变化曲线

由图11所示的不同时期挤进阻力曲线可知,挤进阻力受温度及材料力学性能的影响,热枪的挤进阻力明显小于冷枪。在忽略挤进加速度的情况下,挤进压力可近似等于挤进阻力与枪膛横截面积的比值。

3.3 内弹道过程弹丸速度与转速分析

按3.2.2中计算得出的挤进阻力,可求出挤进压力分别为冷枪状态下29.5 MPa、热枪状态下24.6 MPa。通过经典内弹道方程组可求出弹丸初速,进而得到冷枪、热枪状态下内弹道时期弹丸的速度v和转速ω,如图12、图13所示。

图12 弹丸速度

图13 弹丸转速

由图12、图13可知,枪管温度升高使弹丸初速与出膛口的转速下降,较高的初速使弹道形状受重力的影响越小,弹道曲线相对平直,弹丸偏移量相对较小,弹丸转速越高,其飞行稳定性越好。

4 外弹道对弹着点的影响

通过第2节的分析可以得出冷枪、热枪状态下枪管热弯曲及弹丸出膛口的姿态,进而得出射角的理论值。

将所求得的弹丸初速、射角代入外弹道方程组。弹丸在自身重力作用下的飞行轨迹如图14所示,图中,Δy1,Δy2分别为冷枪、热枪的射击偏差。

由于质点外弹道方程忽略了弹丸形状的影响,因此,只考虑空气阻力和重力。通过外弹道方程求出弹丸100 m处弹着点。

图14 弹道曲线示意图

通过理论分析和仿真计算可以得出:冷枪时弹着点偏差为7.21 cm,实验测量冷枪弹着点偏差平均值为6.7 cm,误差为7.6%;热枪时弹着点偏差为10.26 cm,实验测量热枪时弹着点偏差平均值为9.2 cm,误差为11.5%。冷枪、热枪偏差与实测值基本吻合。

5 结论

本文以某小口径步枪为研究对象,进行了热偏试验,同时建立枪管热-结构耦合分析模型,通过理论分析和仿真计算,得到如下结论:

①枪管材料温度越高,则挤进力越小,主要原因是材料温度上升,弹性模量和屈服强度下降,挤进时弹丸与膛面接触压力变小,挤进阻力较低温时更小。

②枪管温度越高,其材料机械性能改变程度越大,同样大小的外载荷作用下,热枪较冷枪状态下身管弯曲量大。

③弹丸挤进力的大小对步枪的射击精度有较大影响,挤进力影响弹丸的膛口速度。根据内弹道方程组可知,挤进压力越大,初速越高。相同条件下,弹丸初速越高外弹道越平直。

本文重点研究枪管温度变化导致的平均弹着点偏差的变化,通过理论分析、仿真计算与实验测试,得出枪管温度场对射击准确度产生较大影响,为提出抑制措施提供了重要参考。

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