狙击步枪弹/枪相互作用问题研究

摘要

狙击步枪作为一种高精度射击武器，不断提升射击精度是其主要设计目标，内弹道结束时刻的弹头初始扰动是影响射击精度的主要原因，初始扰动是弹/枪相互作用的最终结果，其状态与枪、弹参数设计的合理性密切相关。然而现有枪、弹的设计方法已不能作为进一步降低初始扰动、提高狙击步枪射击精度的有效方法，需要开展更深层次的弹/枪相互作用机理研究，关注常规枪械设计中忽略的微小因素，全面分析枪、弹因素对初始扰动的影响，发展狙击步枪弹/枪参数匹配设计方法，为设计与研制高精度狙击步枪提供理论基础。本文采用试验与数值计算相结合的方法，基于非线性有限元理论建立了弹/枪相互作用数值计算模型，重点分析了枪管、弹头结构参数对弹头发射过程的影响，将稳健设计思想应用于弹/枪参数匹配设计方法中，形成了一套可行的狙击步枪弹/枪参数匹配设计理论方法。全文主要工作与内容如下:
　　以某型狙击步枪为研究对象开展了多项性能试验研究，其中包括膛压测试试验、初速测试试验、准静态挤进试验与枪口振动试验研究。采用铜柱测压法与光电靶法获得了狙击步枪最大膛压与初速试验数据;设计了一套辅助挤进试验装置，开展了两种坡膛锥度下的弹头准静态挤进试验，由材料试验机推动弹头挤进坡膛获得了挤进阻力变化曲线;设计了一套辅助夹持装置用以固定狙击步枪枪管，使用高速摄影机拍摄弹头出膛后枪口图片的方式获得了弹头出膛后500ms内的振动位移数据。性能试验研究为开展相关理论研究提供了前提条件与验证标准。
　　基于非线性有限元法建立了弹/枪相互作用数值计算模型，该模型将内弹道膛压计算程序与弹头发射过程有限元计算相耦合，并充分考虑了弹头动态挤进过程及重力作用导致的枪管预弯曲现象，保证了内弹道过程的完整性，更准确的描述了弹/枪相互作用过程。通过数值计算获得了有无重力作用下枪口振动与弹头膛内运动特性，分析计算结果发现重力对弹头膛内运动的影响作用不可忽略;将数值计算所得膛压、初速及枪口振动数据与试验结果相对比，证明了弹/枪相互作用数值计算模型的正确性。
　　建立了准静态挤进数值计算模型与动态挤进数值计算模型，获得了准静态与动态挤进过程中的挤进阻力变化情况与应力/应变分布规律，分析了挤进阻力的组成与占比。挤进阻力由轴向正压力与轴向摩擦力两部分组成，其中轴向摩擦力为主要组成部分，轴向正压力在挤进完成之后基本消失，准静态挤进与动态挤进状态两种状态下坡膛结构对挤进阻力影响程度不同。重点分析了弹头壳、弹芯与枪管的应力/应变在轴向、周向与径向的分布情况，发现准静态挤进与动态挤进两种状态下的应力/应变的分布及大小有明显不同。
　　借助弹/枪相互作用数值计算模型，研究了枪管坡膛结构参数、线膛结构参数与外形结构参数微小变化对弹头发射过程的影响情况，以弹头膛内摆动角极大值作为判别参数优劣的主要标志量，衡量参数与弹头膛内摆动剧烈程度间的关系，从定性与定量两个角度开展相关分析。分析计算结果得到了坡膛结构参数、线膛结构参数与外形结构参数对弹头膛内摆动的影响规律。
　　借助弹/枪相互作用数值计算模型，研究了弹头结构参数、弹头质量误差与偏心、火药主控参数对弹头发射过程的影响。分析计算结果表明，弹头圆柱部过盈量越小、长度越大越有利于降低膛内摆动;弹头质量误差将对初速及最大膛压产生影响，而对弹头摆动基本没有影响;弹头质量偏心对弹头摆动的影响远远高于其它因素，偏心距越大则摆动程度越剧烈;火药主控参数通过对膛压的改变来影响初速与弹头膛内摆动，当膛压在270MPa～300MPa之间时，弹头膛内摆动的剧烈程度最低。
　　将稳健设计思想应用于弹/枪参数匹配设计方法研究，采用正交试验方法开展仿真试验，以弹头偏心为噪声因素，弹头膛内摆动角极大值为性能度量，针对10个结构参数进行了12组正交试验，分析正交试验结果可知，将弹/枪参数分析所得的结构参数优选值进行组合能够起到降低弹头膛内摆动角的作用，通过分析两组参数组合在无噪声状态与有噪声状态下弹头摆动角极大值的均值与极差，发现仿真试验结果与稳健特性分析结果一致，表明将稳健设计思想应用与弹/枪参数匹配设计是可行的。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 计算模型的发展

1．2．2 挤进过程研究状况

1．2．3 弹／枪相互作用机理研究状况

1．2．4 弹／枪参数匹配设计研究状况

1．3 本文主要内容

2．狙击步枪性能试验

2．1 膛压测试试验

2．1．1 试验条件

2．1．2 试验结果与分析

2．2 初速测试试验

2．2．1 试验条件

2．2．2 试验结果与分析

2．3 准静态挤进试验

2．3．1 试验条件

2．3．2 试验结果与分析

2．4 枪口振动试验

2．4．1 试验条件

2．4．2 试验结果与分析

2．5 本章小结

3．弹／枪相互作用数值计算模型

3．1 弹丸发射问题研究

3．1．1 问题描述

3．1．2 经典内弹道方程

3．2 有限元法在求解弹丸发射问题中应用

3．2．1 概述

3．2．2 内弹道问题的有限元求解方法

3．2．3 非线性动力学问题的有限元求解方法

3．3 有限元数值计算模型

3．3．1 模型的建立

3．3．2 内弹道膛压计算与ABAQUS数值计算耦合的实现

3．3．3 模型的特点

3．3．4 网格类型与密度对计算时间与精度的影响

3．4 有限元数值计算模型的验证

3．4．1 膛压与速度计算结果与试验结果对比

3．4．2 枪口振动结果与试验结果对比

3．5 重力对弹头发射过程的影响

3．5．1 枪管弯曲对枪口振动的影响

3．5．2 枪管弯曲对弹丸膛内运动的影响

3．6 本章小结

4．狙击步枪挤进阻力机理研究

4．1 挤进过程

4．1．1 概述

4．1．2 挤进过程研究方法

4．1．3 狙击步枪挤进特性

4．2．准静态挤迸数值计算模型

4．2．1 数值计算模型

4．2．2 挤迸阻力结果与分析

4．2．3．应力应变场分析

4．2．4 准静态挤进阻力理论公式

4．3 动态挤进过程分析

4．3．1 概述

4．3．2 动态挤迸过程分析

4．3．3 坡膛结构对挤进阻力的影响

4．4 本章小结

5．枪管结构参数对发射过程的影响研究

5．1 枪管设计内容

5．1．1 概述

5．1．2 枪管设计方法

5．1．3 狙击步枪枪管设计特性

5．1．4 弹头发射过程特征量

5．2 坡膛结构参数影响分析

5．2．1 概述

5．2．2 坡膛锥度参数影响分析

5．2．3 自由行程长度参数影响分析

5．3 线膛结构参数影响分析

5．3．1 概述

5．3．2 导程参数影响分析

5．3．3 膛线条数参数影响分析

5．3．4 膛线宽度参数影响分析

5．3．5 膛线深度参数影响分析

5．4 外形结构参数影响分析

5．4．1 枪管长度参数影响分析

5．4．2 外径参数影响分析

5．4．3 枪管形状参数影响分析

5．5 本章小结

6．狙击弹参数对发射过程的影响研究

6．1 狙击弹设计参数

6．1．1 概述

6．1．2 狙击弹参数设计内容

6．1．3 狙击弹设计参数对发射过程影响的研究现状

6．2 圆柱部参数影响分析

6．2．1 圆柱部直径影响分析

6．2．2 圆柱部长度对发射过程的影响分析

6．3 弹头质量误差影响分析

6．3．1 弹头质量误差对弹头初速及最大膛压的影响

6．3．2 弹头质量误差对弹头膛内摆动的影响

6．4 质量偏心影响分析

6．4．1 质量偏心对弹头摆动角的影响

6．4．2 质量偏心对弹头摆动位移的影响

6．4．3 质量偏心方位对弹头膛内运动的影响

6．5 弹头材料属性影响分析

6．5．1 概述

6．5．2 弹头壳影响分析

6．5．3 弹芯影响分析

6．6 火药参数影响分析

6．6．1 对最大膛压的影响

6．6．2 对初速及内弹道持续时间的影响

6．6．3 对弹头摆动的影响

6．7 本章小结

7．弹／枪参数稳健设计方法研究

7．1 概述

7．1．1 弹／枪参数与参数误差

7．1．2 稳健设计在武器系统中的应用

7．2 弹／枪参数稳健设计方法

7．2．1 稳健设计

7．2．2 稳健设计思想在弹／枪参数匹配设计中的应用

7．3 参数稳健性验证

7．3．1 参数组合

7．3．2 噪声因素

7．3．3 结果与分析

7．4 本章小结

8 全文工作总结与展望

8．1 研究工作总结

8．2 主要创新点

8．3 研究工作展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文情况

攻读博士期间参与的科研情况