某机枪威力综合考核仿真研究

苑大威，李晓寅，郭 施，边江楠，聂为彪

(1.瞬态冲击技术重点实验室, 北京 102202； 2.中国兵器工业第208研究所, 北京 102202；3.中国兵器工业标准化研究所, 北京 100089； 4.北京航空工程技术研究中心, 北京 100076；5.中国舰船研究院, 北京 100101)

威力一直作为枪械和枪弹设计的重要指标，以某小口径机枪为例，目前威力考核试验主要是在平射状态下规定射程处侵彻钢板+松木板，然后统计穿透率，100%为合格。该考核方法射击状态单一，无法综合考核枪弹在机枪俯仰射时对靶板的穿透情况。因此，尚缺乏兼顾射击状态的威力考核方法。

本文以某小口径机枪为例，威力考核试验是在平射状态下侵彻1 000 m处2 mm厚50冷轧钢板+3层25 mm松木板，根据质点弹道方程计算枪弹落点速度和姿态，然后利用ANSYS/LS-DYNA软件[1]对其威力进行仿真分析，分析俯仰射状态下的靶标的穿透情况，为枪械枪弹威力[2]的综合考核提供了一条新思路。

1 枪弹威力综合考核技术方案

该机枪威力试验考核结果为：枪弹平均初速930 m/s，1 000 m射程处平均速度为346 m/s，此处2 mm厚50冷轧钢板+3层25 mm松木板的穿透率为100%，弹头的铜被甲和铅套部分破碎在靶板前，只有钢芯穿透靶板。

以该机枪威力考核结果为参考，建立平射状态仿真模型，为了反映穿透率，须考虑弹头初速的随机特性，初速误差来源于影响内弹道的装药量、弹重、药室容积、启动压力等随机因素，通过融入随机内弹道方程计算获得弹头初速的分布情况，提取初速极小值用于外弹道计算1 000 m射程处弹头速度与落角，然后将弹头速度与落角用于弹头侵彻靶板仿真输入，最后求解计算穿透情况，如图1所示。

对于平射(射角0°～2°)、仰射(射角>10°)、俯射(射角<0°)三种射击状态下，射角不变时初速大小与落角大小成单调递减关系，也就是说初速越大，1 000 m射程处速度越大，落角越小，越容易穿透靶板。

因此取初速极小值时，如果弹头能穿透靶板，即可认为穿透率100%。

图1 威力考核仿真分析框图

2 枪弹威力仿真建模

2.1 弹头初速误差分析

弹头初速直接影响侵彻深度，计算穿透率需考虑弹头初速误差，弹头初速误差主要来源于影响内弹道的随机因素，包括：装药量、弹重、药室容积、启动压力，各参数值参见表1。将这些随机量融入内弹道方程，建立随机内弹道数学模型，设成随机变量x服从x～N(μ，σ2)正态分布，概率密度函数为：

(1)

表1 内弹道随机变量参数

则随机量正态分布概率模型可用x=σ+μ得到，利用生成1 000组各变量随机数的组合。作为随机内弹道仿真的输入，求解得到如图所示最大膛压及弹头初速的随机分布如图2，弹头初速均值932 m/s，标准差18 m/s，初速极小值916 m/s。

(2)

图2 初速随机分布图

2.2 1 000 m射程处与落角计算

根据枪弹运动方程组(如下式)，用四阶龙格库塔方法解算微分方程[3]，并用 C++builder软件开发建立解算程序。

(3)

在质点外弹道程序输入枪弹初始参数及初速极小值，计算得出平射时1 000 m射程处步枪弹落速约为330 m/s，作为有限元仿真的初速条件(见图3～图5)。

图3 弹头速度与射程关系曲线

图4 弹头落角与射程关系曲线

图5 弹道高与射程关系曲线

2.3 仿真建模过程

机枪弹由钢心、铅套、弹头壳三部分构成，均使用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型来描述该材料特性，机枪弹及靶板材料参数值见表2。

表2 机枪弹及钢靶的JOHNSON_COOK材料参数值

取弹头的整体模型进行仿真计算，步枪弹的网格模型如图6所示。

图6 某机枪弹的网格模型

在钢靶中心切分直径为20 mm圆柱体，该圆柱体内是材料的大变形区域，因此需细化网格提高计算精度。圆柱外面边线分20段，网格大小依次增大，最小网格边长0.18 mm，最大网格与最小网格的长度比为40，如图7所示。将机枪弹侵彻靶标的攻角设为0.5°，状态如图8所示。

图7 靶板的网格模型

图8 机枪弹侵彻靶标状态

2.4 仿真结果

仿真结果的穿靶效果及速度曲线如图9，靶板完全穿透，弹头中的被甲和铅套全部失效，只剩下钢芯，与试验结果基本一致，说明该仿真模型基本可信，可用于其他情况威力仿真。

图9 平射穿靶效果及弹头速度曲线

3 不同射击状态下威力仿真考核

对于仰射状态，1 000 m射程处弹头速度、落角都不相同，威力会发生很大变化，同时1 000 m射程处射高位于空中位置，试验考核难以立靶实现，而仿真方法可以较好的实现此处威力考核。

通过外弹道计算仰射状态1 000 m射程处弹头速度、落角，(射角大于5°时)。根据上述仿真模型调整弹头速度与侵彻角度(落角)，计算出穿靶效果及速度曲线如图10～图12所示，不同射角威力情况如表3所示，当射角大于23°时，弹头不能穿透靶标。

对于俯射状态，不同射角威力情况如表3所示，当射角小于-15°时，弹头不能穿透靶标。

图10 12°射角穿靶效果及弹头速度曲线

图11 17°射角穿靶效果及弹头速度曲线

表3 不同射击状态下1 000 m射程落速及穿靶情况

4 结论

1) 仿真分析了机枪在平射状态下威力指标，仰射状态，射角大于23°时，弹头不能穿透靶标；俯射状态，射角小于-15°时，弹头不能穿透靶标。

2) 该方法丰富了威力考核内容，弥补了俯、仰射状态下威力无法考核的不足。