身管溫度對步槍射擊影響

藍維彬，楊 臻

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

【裝備理論與裝備技術】

身管溫度對步槍射擊影響

藍維彬，楊 臻

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

步槍在射擊時因熱沖擊作用于槍管，影響瞄準基線，彈著點與瞄準位置發(fā)生偏移，產(chǎn)生熱偏現(xiàn)象。為了解決不同溫度對小口徑步槍射擊所造成的熱偏影響問題，利用ABAQUZ軟件平臺建立某步槍身管的仿真有限元模型。基于非線性熱力學理論，在射擊過程中，對身管內外壁的對流傳熱和內部的熱傳遞過程進行了仿真分析，得出擊發(fā)熱沖擊下身管溫度場的分布規(guī)律。針對不同溫度對材料力學性能的影響，以非線性熱力學結構耦合方式，仿真得出不同溫度下各個時刻的身管彎曲量，通過對身管熱變形的仿真結果與實驗測量的數(shù)據(jù)對比，為及時修正射擊提供重要參考。

身管；熱力學；非線性；有限元；彎曲

當槍械射擊過程中，常常會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，剛開始射擊時，平均彈著點集中在某一區(qū)域，當射彈數(shù)量達到某一數(shù)量時，身管溫度上升后，平均彈著點就會集中在另一個區(qū)域，這種現(xiàn)象通常稱為熱偏。對于槍管溫度過高而使射擊時準確度下降的問題急需展開研究。

國內對該領域的研究主要是通過試驗法，但朵英賢院士曾對試驗法提出質疑，認為試驗法耗彈量過大且仍未能有效得到解決熱偏問題的要領[1]。而在理論研究方面，文獻[2]和文獻[3]以某火炮身管在外載荷及熱作用影響下，求解出發(fā)射后不同時刻身管彎曲度；文獻[4]在火炮身管熱彎曲的基礎上又對不同環(huán)境溫度下身管振動周期振動幅度進行研究；文獻[5]認為身管在較小的溫度差的情況下仍然會形成一定的彎曲度；文獻[6]對某小口徑高射速火炮的自重彎曲及熱彎曲進行仿真計算，并根據(jù)計算結果對射表進行修正。

由以上研究可知，國內在該領域的研究主要還是在火炮方向，而小口徑自動武器在該領域仍處于起步階段，因此，需要通過系統(tǒng)分析計算對冷熱偏問題進行研究。本文以某小口徑步槍為研究對象，從理論、仿真和實驗3個方面探究步槍產(chǎn)生熱偏的原因，為抑制熱偏提供理論依據(jù)。

1 實驗數(shù)據(jù)分析

1.1 實驗設備與測試方法

試驗用步槍3支，若干個裝滿彈的彈匣，分別標號1號槍、2號槍、3號槍。分別對距離100 m的實驗靶射擊，每支試驗槍用固定架夾持。3支試驗槍分別射擊150發(fā)彈后空冷3 min，測槍管外壁溫度，其中單發(fā)、點射(5發(fā))、連發(fā)分別占射彈量的10%、70%、20%，射擊間隔1～2 s，最后分別通過實驗靶紙上的彈著點，求3支槍彈著點平均偏移量。

由文獻[7-11]可知，因為槍管的工作環(huán)境惡劣，到目前為止，還難以用一般的溫度傳感器測出連續(xù)射擊時的內膛表面溫度值。即使是為了測試槍管膛面溫度而研制的表面熱電偶，壽命也只有20發(fā)左右，不能滿足使用要求。因此，實驗采用紅外溫度傳感器直接測量身管外壁的溫度歷程，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可對仿真后的溫度值進行分析判斷。

1.2 實驗結果

本次實驗忽略外彈道，即不考慮彈丸在空氣中運動時因空氣阻力、彈丸自身重力對彈著點的影響。試驗求出3支槍的彈著點，通過近似公式：

可求出槍口偏移量。

實驗結束后，通過紅外溫度傳感器可測出槍口部位外壁溫度。射擊彈著點如圖1所示，膛口位置射彈150發(fā)結束時溫度紅外圖如表1所示，彈著點偏移實測值與槍口偏移量如表2所示。

圖1 胸環(huán)靶彈著點分布

射彈數(shù)實測溫度/℃30發(fā)后138．260發(fā)后242．490發(fā)后325．2120發(fā)后348．4150發(fā)后455．6空冷3min256．4

(c) 3號試驗槍(No.2 test rifle)

表2 彈著點偏移實測值與槍口偏移量

2 控制方程

在彈丸發(fā)射過程中，身管受到劇烈的壓力載荷沖擊和熱沖擊，熱壓耦合基本方程包括考慮身管結構變形的熱傳導和考慮慣性效應的熱彈性方程。

熱傳導基本方程

式中:qv為單位體積發(fā)熱量；λ為導熱系數(shù)；ρ為導熱體的密度；C為導熱體的比熱；t為溫度；τ為時間。

3 身管溫度場仿真分析

3.1 身管有限元模型建立

本研究以某小口徑步槍身管為研究對象進行熱力耦合分析，建立身管三維有限元模型。有限元模型尺寸與槍管大小比例為1∶1，槍管的網(wǎng)格類型采用8節(jié)點六面體減縮積分單元C3D8R，網(wǎng)格大小控制在0.5～2 mm之間。身管有限元模型如圖2所示。

圖2 身管有限元模型

3.2 火藥燃氣溫度與放熱系數(shù)計算

內彈道時期火藥燃氣溫度是時間或彈丸位置的函數(shù)，可在求解內彈道參數(shù)時，通過下面的公式[4]算出

Tg(t)=[1-(k-1)φqv2(t)/(2gfωψ)]T1

式中：v(t)為彈丸運動速度；k為絕熱指數(shù)；ω為裝藥量；f為火藥力；φ為虛擬系數(shù)；q為彈丸質量；ψ為火藥燃去部分百分比；T1為火藥爆溫。

在后效期結束時，火藥燃氣基本恢復到大氣溫度，因此，假設后效期火藥燃氣的平均溫度隨時間的變化規(guī)律[5]為

Tgh(t)=The(-A·tB)

式中：Th為后效期開始時火藥燃氣的平均溫度；

式中：Tk為內彈道結束時膛內火藥燃氣平均溫度；Tbw為火藥爆溫；Ta為后效期結束時刻膛內火藥氣體平均溫度；tndd為內彈道持續(xù)時間；thxq為后效期持續(xù)時間?；鹚幦細鉁囟茸兓鐖D3所示。

圖3 火藥燃氣溫度變化過程

火藥燃氣的放熱系數(shù)

hg1=0.5r1cpρν

式中：cp為火藥燃氣的定壓比熱容，cp= 1.799 kJ/(kg·K)；ρ、ν為火藥燃氣的密度和速度；r1=(A+4lgd)-2為無因次摩擦因數(shù)，d的單位為cm，A為經(jīng)驗常數(shù)，A=13.2。膛壓最大處火藥燃氣放熱系數(shù)變化如圖4所示。

圖4 火藥燃氣放熱系數(shù)

3.3 全身管溫度分析

將3.2小節(jié)中計算得出火藥燃氣溫度和身管內外壁對流放熱系數(shù)，添加設置為身管的內外壁邊界條件，對身管發(fā)射過程進行熱對流分析。其中在常溫環(huán)境(20 ℃)下，試驗射頻600 r/min，3支試驗槍分別射擊150發(fā)彈后空冷3 min，其中單發(fā)、點射(5發(fā))、連發(fā)分別占射彈量的10%、70%、20%，射擊間隔1～2 s，之后進行自然對流散熱。其中彈丸在出膛口后，膛內溫度迅速下降，即對兩發(fā)彈間隔時間內，身管內壁邊界條件以自然對流散熱處理。

由于火藥燃氣對流放熱系數(shù)在發(fā)射的每一個瞬間及身管各截面上的值都是變化的，所以內膛的溫度分布不均勻(見圖5)。具體體現(xiàn)在，最大膛壓點附近的峰值溫度偏高，而靠近身管口部的峰值溫度較低。最大膛壓處附近，吸收的熱量最多，溫度變化最劇烈，膛壓最高。

圖5 內壁沿軸向溫度最大值

圖6為步槍射彈150發(fā)彈后沿身管軸向測量其外壁溫度，因為單發(fā)射彈15發(fā)后，外壁溫度無明顯變化，故曲線圖只包含點射后和連發(fā)后的溫度變化。身管外壁的溫度分布體現(xiàn)為靠近槍口部為溫度偏高，而靠近膛底處因為壁厚較大，溫度較低。

圖6 外壁沿軸向溫度最大值

3.4 最大膛壓處、膛口溫度場分析

從圖7、圖8曲線可以看出，距內壁不同距離截面身管的溫度場變化規(guī)律不同。射擊結束后身管內外壁存在較大的溫度差，身管內壁的溫度隨射彈數(shù)的增加呈脈沖式增加。身管外壁溫度變化平穩(wěn)，但一直呈上升趨勢。整個發(fā)射過程中，最大膛壓附近，身管內壁的最大峰值溫度為843 ℃；外壁最大峰值溫度為470 ℃。

圖7 膛壓最大處內外壁溫度變化

圖8 膛口處內外壁溫度變化

仿真計算出射彈結束后槍管外壁溫度為470 ℃，而實驗得出的結果在411.9～455.6 ℃，誤差為3.2%；空冷3 min后步槍槍管外壁溫度在254.9～256.8 ℃，仿真計算結果為232 ℃，誤差為9.4%，得到結果誤差均在10%以內，說明仿真結果與實驗結果基本符合。

4 身管熱彎曲及對瞄準基線影響分析

步槍發(fā)射過程中，身管持續(xù)處于較高溫度。參考文獻[2]中所述，炮鋼由常溫加熱到300℃時，彈性模量將減小9%左右，其他的熱物理性質也會發(fā)生變化。在重力和其他等效外載荷作用下，身管必然產(chǎn)生不同的彎曲狀況。

4.1 身管材料基本設置

由文獻[2,12]可知，身管材料性質隨溫度變化參數(shù)如表3所示。

表3 身管材料力學性能參數(shù)

4.2 身管熱彎曲仿真

首先將瞬態(tài)求解出的溫度場分布情況以外載荷的形式施加于身管上；之后分別對身管施加位移約束及重力載荷與導致其彎曲變形的力偶矩。仿真結束后，身管沿軸線不同距離的彎曲量如表4所示，身管熱彎曲云圖如圖9。

表4 身管沿軸線不同距離的彎曲量(m)

通過表4所示的3種情況下身管彎曲變化對比可以得到：發(fā)射過程中，身管在重力和其他外載荷的作用下發(fā)生彎曲變形。身管的彎曲量隨溫度的升高逐漸變大，這主要是因為隨著溫度的升高，身管材料的彈性模量減小，即剛度減小。

圖9 身管熱彎曲云圖

4.3 結果分析

根據(jù)仿真計算后得出彈丸到達槍口時槍管的熱彎曲變形為0.187 9 mm。而根據(jù)實驗得出的步槍平均彈著點偏移，可推算出槍口偏移量為0.124～0.52 mm，可以看出仿真結果在實驗推算范圍內。

5 結論

1) 隨著射彈數(shù)不斷增多，身管內溫度呈升高；且身管內越靠近內壁的位置，對溫度變化越敏感，其溫度變化較快；槍管溫度升高，身管彎曲量逐漸增大。

2) 從實驗結果來看，射擊彈著點主要分布在第四象限，即右下方；因為射擊實驗時整個槍身固定不動，槍管主要向下彎曲，而且我國制式步槍膛線為右旋，使得彈丸出膛口向右下方偏離。

3) 步槍瞄準裝置的相對位置對射擊精度有著較大的影響。針對國產(chǎn)小口徑步槍出現(xiàn)的熱偏現(xiàn)象，可以將準星部分降低高度后前移。在以后突擊步槍瞄準裝置的設計方面，建議將準星座直接安裝固定在槍管上，這樣可以避免瞄準基線與彈道形成較大偏差，從而對熱偏現(xiàn)象起一定的抑制作用。

仿真得出射擊時的熱變形規(guī)律，為步槍在不同的作戰(zhàn)環(huán)境下，合理分配射速，安排射擊間隔時間，及時修正射擊，提供可靠的理論依據(jù)。

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AnalysisoftheEffectofThermalDeformationofBarrelonRifleFiring

LAN Weibin， YANG Zhen

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Baseline is affected by thermal shock in the barrel when firing, and the change of bullet position leads to thermal deviation. In order to solve the thermal influence of different temperature on the firing of small caliber rifle, a finite element model of barrel is established by using ABAQUS software platform, and the convective heat transfer process is simulated based on the outer wall of barrel by using nonlinear transient thermodynamic theory during the launching process. The temperature-time curves of both inside and outside surface are got under the thermal shock. Because the different temperatures on the mechanical properties of the materials have influence, and flexures of barrel are gotten under different temperature based on nonlinear thermal structure coupling mode. Comparing the simulation results with the experimental data measured by the thermal deformation of the barrel, it provides an important reference for the timely correction of shooting.

barre; thermodynamics; nonlinear; finite element; flexures

2017-06-22；

2017-07-06

裝備預先研究項目(0901)

藍維彬(1990—)，男，碩士研究生，主要從事結構設計與仿真技術研究。

楊臻(1965—)，男，教授，博士，碩士生導師，主要從事發(fā)射理論與技術研究。

10.11809/scbgxb2017.10.006

本文引用格式：藍維彬，楊臻.身管溫度對步槍射擊影響[J].兵器裝備工程學報，2017(10):25-29.

formatLAN Weibin，YANG Zhen.Analysis of the Effect of Thermal Deformation of Barrel on Rifle Firing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):25-29.

TJ22

A

2096-2304(2017)10-0025-05

(責任編輯周江川)