蔡翘楚，杨 臻，侯文伟，蓝维彬，龙建华

（1.中北大学机电工程学院，太原030051；2.重庆建设工业（集团）有限责任公司，重庆400054）

0 引言

突击步枪是一种射速较高、射击稳定的轻武器装备，世界各国一直致力于研究如何提高这种武器的射击精度。而想要提高这种枪械的设计精度首先要解决步枪的冷热偏问题。在步枪的射击试验中，通常会发现，在最开始进行试验时，步枪枪管温度接近室温，射弹点会分布在散布中心附近的一定区域内，而在射弹数量增加时，枪管温度有所提升，射弹散布中心会发生偏移，即发生枪械的冷热偏现象。枪械的冷热偏现象对枪械在战争中完成任务的能力将会产生较大的影响，这直接降低了步枪的射击准确度。而随着全球枪械的轻量化发展，冷热偏问题越发明显，急需展开深入研究。

针对这一现象，美国陆军弹道研究所针于20世纪90年代对5.56 mm突击步枪冷热偏问题进行了试验和机理研究，建立了数值仿真模型并进行了枪械冷热偏试验。俄罗斯精密机械研究所也研究了枪族冷热偏机理及其计算模型。

国内在该领域的研究起步较晚，目前，国内所进行的钢材因温度变化引起的机械性能差异的研究，主要是针对其他行业，而针对轻武器领域的研究较少［1］。在身管方面，赵金辉等人利用非线性热力学理论对某火炮进行研究，得出了该种火炮身管在发射不同数量炮弹后的弯曲变形量和温度场［2-3］。在枪/弹相互作用方面，刘国庆，徐诚等对某狙击步枪准静态弹头挤进过程进行了研究，通过对弹丸的结构参数、弹丸材料、枪/弹的配合误差与弹/枪参数匹配对弹丸挤进过程的影响研究，分析了以上参数对弹丸被甲所刻痕处、非刻痕处所受应力、弹丸在挤进过程中的轴向、纵向摆动角、膛内火药燃气压力和枪管所受应力、温度等的影响规律；在弹丸挤进方面，安俊斌等人对某机枪进行了试验以及仿真计算，深入研究了该机枪弹丸挤进的过程，分析了弹丸在挤进的过程中的摆动情况［6］。

上述研究只是对单一因素进行分析研究，并没有系统地研究温度对于小口径步枪的冷热偏现象。因此，本文以某小口径步枪作为研究对象，通过ABAQUS软件进行有限元仿真分析，并与步枪的冷热偏实验结果进行对比，深入研究该步枪在不同温度的情况下造成冷热偏的原因，为提高步枪射击精度提供一定的参考。

1 步枪冷热偏实验

1.1 实验过程与结果

对100 m靶进行射击，冷热枪弹着点分布如图1～图2，分别测出冷枪和热枪的弹着点偏差如表1所示。

图1 冷枪弹着点分布

1.2 结果分析与讨论

通过对某小口径步枪进行冷热偏试验可以看出，热枪射击较冷枪射击的散布中心点有所偏移，枪管温度的升高对步枪射击准确度有较大影响，初步推测造成的结果如下：

图2 热抢弹着点分布

表1 试验弹着点偏差（cm）

枪管温度升高导致弹丸挤进压力减小，而挤进压力的大小决定整个内弹道过程，进而影响弹丸的膛口初速。弹丸的初速越低，地球引力对弹丸的作用效果就越明显，这使得弹丸飞行稳定性降低，导致弹着点偏移量增大。

针对这一情况，下文将对温度因素与挤进压力的关系进行详细分析。

2 步枪温升过程分析

2.1 枪管温升过程仿真分析

本节以某小口径步枪身管作为研究对象，建立身管有限元模型如图3所示。

图3 温度场分析模型

通过文献［7-9］中温度场计算公式，可以求出火药燃气温度与强迫对流换热系数、自然对流换热系数。

枪管材料机械性能参数将随温度的变化而发生改变。身管材料机械性能参数如下页表2所示。

仿真过程根据射击规则，按不同时间间隔将身管的火药燃气温度和对流放热系数循环加载到身管膛内和内外壁上，循环仿真计算。

如图4所示，由于火药燃气对流放热系数在弹丸在膛内运动的各个时刻的值是在不断变化的，所以在弹丸发射的过程中，枪管内膛各处的温度是不同的。

表2 身管材料机械性能参数

图5为某小口径步枪在射弹150发后枪管外壁沿轴向温度的最大值，可以看出处于连发射击状态的枪管外壁温度上升较快，而单发射击后枪管外壁温度只有略微上升。

图6为刺刀座附近枪管外壁温度。

图4 内壁沿轴向温度最大值

图5 外壁沿轴向温度最大值

2.2 仿真模型试验验证

为了验证上节仿真结果的可信性，本次温升试验将对该小口径步枪射击150发时的枪管外表面进行测试，实验仪器为红外热成像仪。

图6 射弹150发枪管温度场

本次实验研究对象为两支某小口径实验枪，射击时将步枪夹持在实验台上，对100 m靶进行试验射击。

射击规则：试验过程均使用试验弹进行射击。首先，在冷枪状态下进行20发单发射击；然后进行150发的无冷却连发射击；最后在热抢状态下再进行一组20发单发射击。图7为测量得出两支试验枪不同射弹数枪管外壁对应的温度变化，图8为射弹150发后枪管外表面温度分布红外图。

图7 外壁温度的变化

图8 枪管红外测温图

通过两次实验得出射弹试验结束后枪管外壁最高温度分别为331.56℃和386.31℃，仿真计算结果为376℃，仿真结果在实测值范围内，这说明仿真得到的数据结果与试验所得的基本一致。

3 热偏因素分析

3.1 枪管热弯曲影响分析

在不同的环境温度下，枪管内部的温度场分布情况有所不同，枪管材料的屈服强度，弹性模量等机械性能参数均发生改变，这使得枪管材料较常温条件下更容易产生变形，加上枪管自重等外力的影响，枪管更容易发生弯曲变形。

在进行仿真计算时，首先将枪管在冷枪状态下进行仿真分析，得出枪管在射击后的弯曲量，再将身管在射击150发后的温度施加在仿真模型上，重新计算，得出枪管在热枪状态下的变形量。表3为身管沿轴线的弯曲量，图9为身管的热弯曲云图。

表3 身管沿轴线弯曲量

图9 身管热弯曲云图

根据仿真结果可知，枪管温度越高，其材料力学性能参数变化越大，在同样程度的外载荷作用情况下，热枪状态下枪管的弯曲变形量较冷枪状态下的更大。

3.2 弹丸挤进过程分析计算

对于枪械来说，弹丸在发射药产生的火药燃气的作用下向前运动，弹带产生塑性变形而挤入膛线的过程是十分复杂的。而随着枪械射弹数量的增加，枪管内膛的温度也随之上升，枪管和弹丸被甲材料的力学性能参数也随着温度的升高而不断改变，这导致了枪/弹相互作用情况随着温度的改变而改变。本节主要分析温度的变化对挤进的影响。

3.2.1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弹丸和枪管。为了保证精度，网格类型采用8节点六面体减缩积分单元C3D8R，网格大小控制在0.1 mm～2 mm之间。有限元分析模型如图10所示。

图10 挤进模型的网格划分

为了计算不同温度下弹丸在挤进膛线时的挤进压力，将弹丸挤进过程作为研究对象，选取在弹丸挤进过程中对弹丸变形产生作用最明显的一节枪管进行仿真计算。

其中弹丸使用覆铜钢被甲弹丸，中间套有铅套，弹丸最里层为钢芯。弹丸相关结构的材料机械性能参数如表4所示。

表4 弹丸材料机械性能参数

3.2.2挤进过程枪管受力分析

弹丸挤进过程中，枪管坡膛导转侧对弹头产生作用力，即挤进阻力Fz。挤进阻力Fz由坡膛阻力F1，阴线阻力F2和导转阻力F33个力的合力构成。

式中，б1、1，б2、2和б3、3分别表示在接触面上产生的接触应力分，μ表示法向应力和切向应力的通过摩擦系数。

图11 挤进过程受力分析

挤进过程弹头受力分析如图11所示，其中，η表示缠角，α表示坡膛角，β表示导转侧角度。由此可得沿弹轴方向的挤进阻力分别为

3.2.3弹丸挤进过程仿真计算

为了更深入地了解研究枪管内膛温度对弹丸所受挤进力的影响，本节以某小口径步枪枪管内膛作为研究对象，主要研究在冷枪和热抢状态下枪管坡膛处的应力分布情况，从而得到温度的变化对弹丸挤进阻力的影响。

图12 坡膛某处表面应力曲线

图13 冷枪状态下坡膛处表面应力云图

图14 热枪状态下坡膛处表面应力云图

由图12～图14可知，由于弹丸在挤进时需要嵌入膛线从而使弹丸稳定旋转，这个过程是在坡膛阳线导转侧的作用下完成的，坡膛阳线导转侧处直接致使弹丸被甲发生塑性变形，其所受到的应力会更大；温度的改变会导致材料的机械性能参数发生变化，因此，冷枪射击时的枪管内膛各处应力较热枪射击时的更大。由于挤进的过程是弹丸被甲镶嵌进枪管膛线的过程，因此，可以近似地将枪管所受弹丸的作用力看做弹丸所受的挤进阻力。根据公式，枪管所受弹丸的作用力可以看作是枪管内壁各处所受力的合力，从而得到如图15所示曲线。

由图15弹丸的挤进阻力曲线可知，弹丸在冷枪状态下和热枪状态下所受的挤进阻力相差较大，冷枪状态下射击时弹丸所受的挤进阻力大于热枪状态下射击弹丸所受的挤进阻力。由于挤进过程时间很短，挤进加速度可忽略不计，则将挤进阻力与枪膛横截面积的比值视为弹丸完全挤进的瞬间枪膛内的火药压力，即挤进压力。

图15 弹丸的挤进阻力曲线

根据上述挤进过程分析可知：枪管在热枪状态下的挤进力较冷枪时的小。这是因为热枪状态下枪管温度升高，材料的机械性能参数发生改变，屈服强度等参数减小，这使得弹丸和枪管内膛接触压力变小，挤进阻力更小。

3.3 弹丸在枪膛内运动过程分析

假设弹丸在挤进的过程中枪管是固定的，不发生机械振动，虽然弹丸结构是对称的，但是由于弹丸在膛内运动的过程中，枪管内膛各处对弹丸被甲的作用力是不均匀的，并且弹丸还受到自身的重力和弹前空气阻力等的作用，弹丸不会完全平稳地挤进。经过仿真计算，分别取冷枪状态下和热枪状态下弹丸头部顶端横向位移绘制弹丸摆动情况如图16～图17所示。

图16 冷枪弹丸顶端x方向位移

图17 热枪弹丸顶端x方向位移

从上图中可以看出，冷枪状态下弹丸能更平稳地挤进膛线。这是因为冷枪状态下枪管的温度与热枪状态下枪管的温度相差较大，材料的屈服强度、弹性模量等机械性能参数发生变化，弹丸与枪管之间的作用力减小，这使得弹丸在挤进过程中受力更加不均匀，而摆动更加明显；同时由3.1节的分析，冷枪状态下枪管的变形量较热枪状态下枪管的弯曲变形量小，枪管的热弯曲变形会对弹丸挤进膛线的过程产生较大影响。这使得在冷枪和热枪状态下枪/弹之间的相互作用不同，从而使弹丸在出膛口时姿态差异较大。

4 结论

本文以某小口径步枪为研究对象，进行了热偏试验，同时建立有限元分析模型，通过仿真分析来探究步枪产生冷热偏的原因，分析结果表明：由于枪管温度升高，导致了挤进过程中，弹丸在冷热枪状态下的挤进压力出现较大差异；同时枪管的热弯曲变形对弹丸在膛内运动过程也有较大影响。该研究可为优化枪管结构，选择枪管材料，合理分配射速，安排射击间隔时间，进而为提高射击精度提供理论参考依据。