单兵肩射武器发射筒前盖破片后飞分析与改进

刘成倩，陈 帮,王 健，李军福，甘小红

(1.中国人民解放军驻九三七三厂军代室， 安徽 蚌埠 233010； 2.驻南京地区军代局，南京 210024；3.安徽省方圆机电股份有限公司， 安徽 蚌埠 233010)

前盖固定于发射筒的前端，是武器发射系统研制中的重要环节。目前发射筒前盖分为三种：机械开关盖、爆破式前盖和穿透式前盖。

穿透式前盖凭借其结构简单，不需开盖，密封性强，易维修等特点，大量装备于武器发射筒。国内对于穿透式前盖性能研究都已开展，如许寿彭、蔡德咏和曹苏雅拉图等利用仿真软件对前盖进行计算，得到了前盖破碎特性[1-3]；国外应用如美国“战斧”、英国“海鸥”、德国“罗兰特”等[4]。

穿透式前盖一方面要保证弹体不受影响，弹丸安全无损，外弹道稳定，另一方面也要保证前盖破片飞散轨道稳定，发射筒的安全防护[5，6]。某型单兵肩射武器在打靶试验中，出现前盖破片后飞现象，针对这一现象，从设计和安全防护角度出发，分析破片的后飞机理，并提出改进措施，结合仿真计算和试验验证。

1 前盖穿透结构

穿透结构由弹丸、发射筒、前盖构成。前盖采用铝板材料，分12瓣，并预制了应力槽。发射时，前盖受到弹丸头部撞击，产生前盖破片，破片随着弹丸出膛向前飞散。前盖穿透结构如图1所示，前盖结构如图2。

图1 前盖穿透结构示意图

图2 前盖结构示意图

2 破片后飞机理

发射时前盖受到弹丸头部的冲击，轴线中心部位沿应力槽向四周外围撕裂翻转成扇形卷状，在弹丸未完全出膛时，弹丸向前盖施加了轴向作用力，同时扇形盖片受到根部的拉扯作用，使得扇形具有反发射方向和径向的动量分量。若盖片根部被弹丸牵扯拉断，且其质心超出变形环组件前段外边缘时，碎片就会后飞。破片形成过程如图3所示，破片形态和质心位置如图4所示。

采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对前盖受弹丸头部冲击的瞬态动力学进行仿真计算。模型由前盖、连接环和弹丸组成。其中前盖采用胶接(glue)命令与连接环连接为一体，模拟弹与前盖初始间距为5 mm。前盖、连接环和弹丸都采用八节点六面体solid164单元，网格划分采用自由网格划分方式进行，网格划分后共形成23 656个节点、74 100个单元和3个部件(part)。仿真模型如图5所示。

图3 破片形成过程

图4 破片形态和质心位置

图5 前盖与连接环、弹丸仿真模型

有限元仿真计算时前盖为铝合金1060A，连接环为铝合金7A04，都采用塑性随动硬化材料(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)模型。模拟弹为刚性体材料模型(MAT_RIGID)。后期为了防止前盖后飞伤人试件的发生，在前盖前端加上了防护圈，防护圈为橡胶材料，在这里为了减少计算量，设定为刚性体材料模型(MAT_RIGID)。材料力学参数见表1。

表1 材料力学性能参数

计算时前盖与连接环、弹丸为自动普通接触，弹的初速为130 m/s,并设定好其它求解控制参数，然后进行求解。前盖破碎的动态显示，如图6所示，显示了不同时刻前盖的破碎情况。

仿真结果显示，弹与前盖碰撞时，前盖中心位置的预制槽先破裂，之后不断被推开，然后中间部位的预制槽开始破裂，在1.0 ms时共计形成7片碎片，其中1片3瓣相连，3片2瓣相连和单独3瓣，在弹的冲击下，7片碎片后翻并与变形环相撞，最后中心圆片断裂并往后飞，与实弹射击试验过程中观察到的中心圆片后飞的现象基本一致。

图6 无防护圈前盖破碎过程

3 改进措施

为保证操作安全，阻止破片后飞，综合考虑破片后飞机理后，提出增加扩展防护圈的优化方案，具体如下：

① 防护圈选用发泡材料制成，结构上采用镶嵌式粘接，以增强粘接强度；

② 优化扩展防护圈结构尺寸，增强抗弯能力。

改进后防护圈结构如图7所示。

图7 改进后防护圈结构

为进一步验证改进后防护圈防止前盖碎片后飞的有效性，采用有限元仿真计算进行分析。计算条件与材料模型与前盖无防护圈有限元仿真相同。仿真结果如图8所示。

计算表明，弹与前盖碰撞时，前盖中心位置的预制槽先破裂，之后不断被推开，中心圆片与6瓣前盖相连。随着弹的前进，中间部位的预制槽破裂不断放大，中心圆片与最终与1瓣前盖相连，并最终断裂。前盖在0.6 ms时共计形成7片碎片，其中1片3瓣相连，3片2瓣相连和单独的3瓣，在弹的冲击下，7片碎片后翻并与制动环和扩展防护圈相撞，但未发生碎片后飞现象。

图8 有防护圈前盖破碎过程

4 射击试验

通过射击试验对改进后防护圈的安全防护能力进行验证，同时考察防护圈的改动对武器系统的战术技术指标及性能的影响。

试验中发射筒采用固定炮架固定，发射时布置高速摄像机观测前后盖碎片飞行状况。射击过程破片飞散过程如图9所示。

试验结束后发射筒防护圈状态如图10所示。

图9 破片飞散过程

图10 试验后防护圈状态

试验结果：通过高速摄像拍摄的破片飞行状态，得出前盖被击后，破片均向前飞行，略有与防护圈碰撞现象，但未造成后飞，防护圈无变形，试验与仿真结果基本吻合。进行多轮验证试验后，均无破片后飞发生，防护圈基本完好无损。

5 结论

1) 破片由破片根部拉扯后翻转，超过防护圈最大尺寸，产生后飞，结合仿真计算得到验证。

2) 增大拓展防护圈，并加强其材料硬度，通过有限元仿真和试验论证，得出改进后的防护圈能有效阻止前盖破片后飞，保证武器系统发射的安全可靠。