徐绍帅，王雨时，闻 泉，黄建强，龚显益，喻新连

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094；2.岳阳金秋红日工业有限公司，湖南岳阳414000）

步枪实弹发射枪榴弹后坐过载环境仿真方法

徐绍帅1，王雨时1，闻 泉1，黄建强2，龚显益2，喻新连2

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094；2.岳阳金秋红日工业有限公司，湖南岳阳414000）

针对步枪实弹发射枪榴弹的后坐过载环境特殊，并不是膛压函数的问题，应用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件对5.8 mm和7.62 mm口径步枪实弹发射枪榴弹过程进行数值模拟，获得了后坐过载-时间曲线，利用铜柱测压原理实验测得了后坐过载峰值，验证了仿真结果。步枪实弹发射枪榴弹的后坐过载峰值最小达19 000 g，远大于步枪空包弹发射时的后坐过载。步枪实弹发射枪榴弹的后坐过载持续时间很短，只有120 μs左右，与1.5 m落高跌向钢板的跌落冲击持续时间接近。7.62 mm口径枪弹发射枪榴弹的后坐过载比5.8 mm口径枪弹发射枪榴弹的后坐过载大80%左右；捕弹器材料软时后坐过载小，反之则较大。

引信；发射环境；数值仿真；枪榴弹；后坐过载

0 引言

在引信设计中要求其具有解除保险可靠性和安全性。枪榴弹发射时的后坐过载关系到引信发射强度与解除保险性能设计，也关系到其战斗部发射强度设计和装药安定性设计等。早期枪榴弹多以空包枪弹发射。空包枪弹发射枪榴弹的后坐过载一般只有500～1 000 g［1］。随着捕弹器技术的发展与成熟，枪榴弹逐渐改用步枪实弹发射，以减少战士携带与作战使用的枪弹品种，也从根本上杜绝了实弹误代空包枪弹发射枪榴弹可能带来的安全性隐患。但步枪实弹发射枪榴弹所产生的后坐过载环境未见有文献研究。最新的欧美国家引信产品手册［2-3］也未见有步枪实弹发射枪榴弹的后坐过载环境介绍。文献［4］虽然讨论了步枪实弹发射枪榴弹的内弹道学问题，但步枪实弹发射枪榴弹的后坐过载环境特殊，并不是膛压的函数，而是与枪弹弹头冲击捕弹器过程密切相关。本文针对此问题，提出了步枪实弹发射枪榴弹后坐过载环境仿真方法。

1 仿真模型及仿真参数设置

由于枪榴弹发射方式特殊，所以本文设计一种专用于测量枪榴弹发射后坐过载的测试弹，如图1所示。测试弹结构较复杂，按实际建模后仿真时间会较长。为减少仿真时间，将枪榴弹内部一些变形较小部分合为一个整体，即枪榴弹主体（包括战斗部、引信和尾管等），只留下仿真需要的功能零件（惯性体、铜柱、捕弹器和铝合金垫等）。另外，由于测试弹为轴对称结构，所以只建立四分之一模型，并在对称面施加对称约束。仿真模型建立如图2所示。

图1 引信后坐过载环境测试弹Fig.1 Rifle grenade for testing fuze setback-load

图2 枪弹冲击枪榴弹仿真模型Fig.2 Simulating model of bullet impacting rifle grenade

仿真模型由六部分组成，其中为减少计算时间，将仿真过程中变形较小的枪榴弹主体和惯性体简化定义为刚体。由于枪榴弹主体的各部分材料不同，密度也不同，所以用等效密度来定义枪榴弹主体密度，以保证模型与实弹重量相同。等效密度，是指根据仿真弹重与实际弹重相同的原则在仿真软件ANSYS/ LS-DYNA的k文件中直接修改的材料密度。

普通枪弹弹头由钢芯、铅套和覆铜钢壳体组成［5］。枪弹弹头结构外层的被甲（覆铜钢壳体）和铅套（铅锑合金）材料硬度低，强度小，在冲击捕弹器时容易破坏，对靶板的冲击侵彻效应主要体现在弹头内强度较高的钢芯上。为简化模型，弹头采用一种材料模型，并采用等效密度使模型质量与实弹质量相同。由文献［6］可知，经过处理的T12A钢可作为枪弹弹芯材料。由于无法获得T12A钢的仿真模型参数，所以本文参照文献［7—8］，在仿真时以硬度近似T12A钢的合金钢30Cr MnSiA替代T12A钢作为枪弹弹头钢芯材料。

本文中采用软、硬两种捕弹器材料，分别为45钢和65Mn钢。选择仿真材料参数定义如表1、表2和表3所列。

表1 30Cr MnSiA钢（弹头钢芯）随动塑性材料模型参数［7-8］Tab.1 PLASTIC-KINEMATIC material model of Steel 30Cr MnSiA（steel core of bullet）

表2 RIGID（刚体模型）材料模型参数［7］Tab.2 RIGID material model

表3 JOHNSON-COOK材料模型参数［9-11］Tab.3 JOHNSON-COOK material model

2 枪榴弹引信后坐过载环境仿真

捕弹器采用软、硬两种材料（45钢和65Mn钢）、两种尺寸（如图3中a尺寸分别取7 mm和6 mm）。以7.62 mm和5.8 mm口径步枪实弹发射枪榴弹，所得仿真结果分别如图4和图5所示以及表4所列。

图3 捕弹器示意图Fig.3 Schematic diagram of bullet trap

图4 7.62 mm实弹发射枪榴弹惯性体后坐加速度仿真结果Fig.4 Simulation result of coasting body acceleration when firing rifle grenade using 7.62 mm bullet

图4中，曲线1为7.62 mm实弹撞击45钢7 mm捕弹器时惯性体加速度；曲线2为7.62 mm实弹撞击45钢6 mm捕弹器时惯性体加速度；曲线3为7.62 mm实弹撞击65Mn钢7 mm捕弹器时惯性体加速度；曲线4为7.62 mm实弹撞击65Mn钢6 mm捕弹器时惯性体加速度。

图5 5.8 mm实弹发射枪榴弹惯性体后坐加速度仿真结果Fig.5 Simulation result of coasting body acceleration when firing rifle grenade using 5.8 mm bullet

图5中，曲线1为5.8 mm实弹撞击45钢7 mm捕弹器时惯性体加速度；曲线2为5.8 mm实弹撞击45钢6 mm捕弹器时惯性体加速度；曲线3为5.8 mm实弹撞击65Mn钢7 mm捕弹器时惯性体加速度；曲线4为5.8 mm实弹撞击65Mn钢6 mm捕弹器时惯性体加速度。

表4 步枪实弹发射枪榴弹后坐过载仿真结果汇总Tab.4 Simulation result collect of Setback-load of firing rifle grenade using bullet

在枪榴弹引信设计中，需根据其所受后坐过载来确定枪榴弹引信解除保险设计方案。

3 枪榴弹引信后坐过载环境测试

枪榴弹引信后坐过载环境测试原理如图1所示。枪榴弹发射后，后坐力使惯性体对铜柱施压，试验后测量铜柱高度，对照铜柱压力表即可知惯性体对铜柱的压力大小。枪榴弹发射后坐过载测试结果如表5所列。试验中采用7.62 mm实弹和调质处理后的7 mm长45钢捕弹器。

表5 7.62 mm枪弹发射枪榴弹后坐过载试验值Tab.5 experimental results of setback-load of firing rifle grenade using 7.62 mm bullet

仿真时未考虑枪弹发射药以及枪榴弹尾管内随进装药的作用，因而系统性偏小约22%。

4 结论

本文提出了应用ANSYS/LS-DYNA软件仿真步枪实弹发射枪榴弹过程以得到枪榴弹发射时后坐过载环境的方法，运用该方法得到了枪榴弹发射后坐过载-时间曲线。步枪实弹发射枪榴弹的后坐过载峰值最小达19 000 g，远大于步枪空包弹发射时的后坐过载（500～1 000 g）。步枪实弹发射枪榴弹的后坐过载持续时间很短，只有120μs左右，与1.5 m落高跌向钢板的跌落冲击持续时间接近。7.62 mm口径枪弹发射枪榴弹的后坐过载比5.8 mm口径枪弹发射枪榴弹的后坐过载大80%左右；捕弹器材料软时后坐过载小，反之则较大。经实验表明，该方法得到的结果与实际基本相符。

［1］马宝华.引信构造与作用［M］.北京：国防工业出版社，1984.

［2］Allied Ordnancf.AOP8 NATO FUZE CHARACTERISTICS DATA［S］.USA，2003.

［3］MIL-HDBK-145C.ACTIVE FUZE CATALOG［S］. USA，2000.

［4］艾西安.步兵近战武器论证参考［M］.北京：国防工业出版社，1992.

［5］《枪弹手册》编写组.枪弹手册［M］.北京：国防工业出版社，1988.

［6］国防科学技术工业委员会.GJB 1665-1993枪弹弹芯用T12A冷拉钢规范［S］.北京：中国标准出版社，1993.

［7］《工程材料使用手册》编辑委员会.工程材料手册（第二版）［M］.北京：中国标准出版社，2002.

［8］王琳，王富耻.空心弹体侵彻金属靶板的数值模拟和实验研究［J］.兵器材料科学与工程，2001.24（6）：13-17.

［9］陈刚，陈忠富，陶俊林.45钢动态塑性本构参量与验证［J］.爆炸与冲击，2005，25（5）：451-456.

［10］陈刚，陈小伟，陈忠富.Q235钢钝头弹撞击45钢板破坏模式的数值分析［J］.爆炸与冲击，2007，27（5）：390-397.

［11］胡昌明，贺红亮，胡时胜.45号钢的动态力学性能研究［J］.爆炸与冲击，2003，23（2）：188-192.

Setback Overload Environment Simulation of Rifle Grenade Live Firing

XU Shaoshuai1，WANG Yushi1，WEN Quan1HUANG Jianqiang2，GONG Xianyi2，YU Xinlian2
（1.College of Mechanical Engineering，NUST，Naniing 210094，China；2.Yueyang Jinqiuhongri industry Limited Company.Yueyang 414000，China）

In order to provide ballistic environment to fuze design，the process of firing rifle grenade using 5.8 mm and 7.62 mm caliber bullet was simulated with the software ANSYS/LS-DYNA，and then the setback overload-time curve was obtained，the peak of the setback overload was obtained through experiments using the copper cylinder pressure measuring principle，which proved the result of simulation.The peak of the setback overload of firing rifle grenade using bullet was more than 19 000 g，and it’s much higher than that of firing rifle grenade using blank.The time that firing rifle grenade using bullet is as short as 120μs，and closed to the time of impact when fuze was dropping to steel plate from 1.5 m height.The setback overload of firing rifle grenade using 7.62 mm calber bullet is 80%higher than that of firing rifle grenade using 5.8 mm caliber bullet.The setback overload was lower when the material of the bullet trap was softer，whereas which was higher.

fuze；lauching environment；numerical simulation；rifle grenade；setback overload

TJ43

A

1008-1194（2015）05-0040-03

2015-01-03

徐绍帅（1987—），男，辽宁普兰店人，硕士，研究方向：引信系统分析与总体设计。E-mail：hiuihnu@163.com。