轻量化复合材料枪管振动特性分析

2023-01-06程振文吴志林

兵器装备工程学报 2022年12期

程振文，赵磊，吴志林

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

1 引言

枪管作为枪械的重要组成部分，通常都是用耐热不易变型的低合金高强度钢打造[1]。在现代战争中，大量武器装备的携带极大影响了士兵的作战灵活性，为减轻士兵负载，使用比普通金属枪管更轻便的复合材料枪管就显得势在必行。但是枪管在射击过程中会伴随着强烈的振动冲击，影响弹丸在膛内运动，最终影响枪械的射击精度，采用复合材料枪管是否可以保证枪械的射击精度就成了研究人员关注的重点[2-3]。

随着复合材料的不断发展，国内外许多学者对此也开展了相关的研究。Dariusz Pyka等[4]通过有限元模型对不同种类的枪管就行振动分析，并与试验结果进行对比，认为复合枪管比普通金属枪管的寿命更高。王加刚等[5]建立了复合材料炮管模型，通过和金属炮管进行对比，发现复合材料炮管在同等载荷下的炮口响应更小。

为深入开展复合材料枪管振动特性研究，本文中以国产步枪为研究对象，建立复合材料枪管有限元模型，对比普通金属枪管在不同阶次下的固有频率以及相同载荷下枪口的振动情况，以此对后续设计提供一定的参考。

2 模态分析

2.1 模态分析方法

模态分析的实质是坐标变换，将线性微分方程中的物理坐标变换成为模态坐标解耦，成为一组模态坐标以及模态参数的独立方程，从而求出系统的模态参数[6-8]。由于枪管在射击过程中伴随强烈的振动，用模态分析可以确定枪管结构的固有频率，振型和振型参与系数。振型可以反映枪管当前频率下的振动特征，而固有频率在一定程度上可以反映枪管结构的刚度。

据研究表明，对于枪管的研究来说，影响较大的往往是前六阶模态，而其中第一阶模态的振动影响远大于后几阶[9]。所以本文中分别模拟了2种枪管的前六阶模态，不考虑更高阶此的模态，同时针对第一阶模态与金属枪管进行了对比分析研究。

2.2 模态分析过程

1) 模型建立

为了更好的分析枪管的振动特性，本文中利用三维建模软件SolidWorks,建立了复合材料枪管的三维模型，并通过质量属性模块测量出复合材料枪管的质量为0.48 kg,金属枪管质量为0.66 kg,质量减少27%。从结构上，复合材料枪管轴向和径向尺寸较普通金属枪管不变，内衬为金属，外表面缠绕3 mm碳纤维。根据试验研究[10]，复合材料管缠绕角在55°～60°，可达到枪管最高承载能力，所以本文中首先选取纤维缠绕角为60°。图1为复合材料枪管横截面示意图。

图1 复合材料枪管横截面示意图Fig.1 Schematic diagram of the cross-sectional structure of the composite barrel

2) 材料参数

枪管金属材料为炮钢，复合材料为T300/PMR。金属和复合材料特性分别如表1和表2所示。

表1 金属材料参数(炮钢)

表2 复合材料参数(T300/PMR)

3) 网格划分

网格划分是否合理是获得有限元精确结果的关键因素之一，因此网格划分方案的设计就显得十分重要[11]。由于枪管可以看作是通过截面拉伸、旋转等操作形成，所以其结构完全可以划分为六面体网格。本文中的枪管模型内衬部分采用C3D8R类型六面体单元，复合材料部分采用SC8R连续壳单元，单元最小尺寸为0.5 mm。模型共划分为1 445 724个节点，244 451个单元。图2为网格划分示意图。

图2 枪管网格示意图Fig.2 Schematic diagram of barrel meshing

另外，为了更好的反映枪管的固有频率，更加接近实际，本文中还加入了枪管表面其他常用连接件，整体网格如图3所示。

图3 整体网格示意图Fig.3 Schematic diagram of the overall meshing

4) 约束载荷

枪管与其他连接件之间采用绑定约束，枪管尾部约束六个自由度。分析类型为频率分析，特征值求解器选择兰索士法[12](Lanczos),特征值个数选择6。

2.3 模态分析结果

本文中利用ABAQUS线性摄动中的频率模块进行有限元仿真分析得到普通金属枪管和复合材料枪管前6阶模态的固有频率及相关振动参数，如表3所示。图4为复合枪管模态云图。

表3 不同枪管前六阶固有频率

由表3可知，金属枪管的基阶固有频率为65.249 Hz，文献[10]中的金属枪管试验测得的数值为72 Hz,误差为9.4%，可以确认该有限元模型的准确性，进而对复合材料枪管进行模态分析。由以上分析可得，采用60°单一缠绕角的复合枪管的前六阶频率均高于普通枪管，而且复合材料枪管的基阶固有频率相比普通金属枪管提高22.5%。复合材料由于比强度高、比刚度大，缠绕出来的枪管的振动特性比普通枪管略好，对抑制枪管振动更有利。

图4 复合枪管模态云图Fig.4 Composite barrel modal cloud map

为了进一步研究缠绕角对复合材料枪管固有频率的影响，本文中采用缠绕角为60°/α°/90°的三层缠绕结构，不断改变α的角度并代入模型进行计算。图5为复合材料枪管基阶固有频率随缠绕角变化曲线。从图中可以看出，随着缠绕角度α的不断增大，复合材料枪管的基阶固有频率不断降低。由此可知，适当的选择缠绕角度和缠绕层数可以提高枪管的基阶固有频率。

图5 固有频率-缠绕角度曲线Fig.5 Natural frequency-winding angle curve

3 瞬态响应分析

3.1 瞬态响应分析方法

瞬态响应分析是用来研究时域载荷作用下模型结构的动力响应问题，大致可分为隐式动力学分析和显示动力学分析两大类。其中，显示动力学分析是对结构的运动方程直接进行显示积分，能够有效处理载荷作用时间较短的模型[13-14]。对于枪管而言，一般需要研究其在振动过程中的枪口响应问题，包括速度响应、位移响应等。基于以上考虑，采用ABAQUS软件对2种枪管进行动力学分析。

3.2 瞬态响应分析过程

瞬态响应分析的前处理各步骤与模态分析相似，为了使计算结果更加精确，添加了机匣等部件与枪管进行装配。在Hypermesh中划分好网格的各部件导入ABAQUS中进行分析。图6为瞬态响应分析复合材料枪管网格模型示意图。

图6 瞬态响应分析枪管网格模型示意图Fig.6 Transient response analysis barrel mesh model

1) 边界条件

对枪管进行柔性设置，其余部件为刚性设置，并且与枪管的约束类型为绑定约束。在机匣部分约束6个自由度，其与枪管的连接部位约束除轴向外的5个自由度。

2) 施加载荷

考虑重力，将模型只受重力算出来的枪口响应作为预定义场加入到瞬态响应分析中。

通过软件编写经典内弹道程序，计算出子弹的膛压-时间曲线，如图7。为了使膛压施加更精确，将整个枪管沿轴向离散成10份，分别计算出每个离散区域的膛压随时间变化曲线，并将其通过幅值曲线的方式加入到各个区域中。随着子弹在枪管中不断运动，所对应的压力也不断开始向前加载。

为了节约计算成本，将子弹摩擦膛线所产生的作用力简化为枪管内表面的剪切压力[15]。本文中假设内弹道时期施加在内表面上的剪切压力处处相等。

图7 膛压-时间曲线Fig.7 Chamber pressure-time curve

3.3 瞬态响应分析结果

在ABAQUS/Explicit中进行计算，分析类型为显示动力学分析。设定时间步长为1e-06s，步数为100步。得到不同枪管枪口中心点在发射过程中的径向位移、速度曲线如图8，图9。

图8 不同枪管枪口位移曲线Fig.8 Muzzle displacement curves for different barrels

图9 不同枪管枪口速度曲线Fig.9 Muzzle speed curves for different barrels

枪口中心点在内弹道结束时径向位移、速度如表4所示，其中金属枪管的径向位移和速度仿真数值与文献[2]中测得的试验值误差在10%以内，可以间接验证此模型的准确性。由图8，图9和表4可知，复合材料枪管的枪口在径向上的位移和速度均小于普通金属枪管。内弹道结束时，复合材料枪管的弹丸偏移量较少，弹着点处的R50较小，有利于提高射击精度。这是由于复合材料枪管外部缠绕碳纤维部分的刚度大于普通金属枪管，使枪口的振动幅度减小，枪管的振动特性更好。这和上述模态分析中复合材料枪管的固有频率较大的规律是一致的。