基于ABAQUS开式弹链脱弹阻力研究分析

吴宝双，李 强

（中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051）

提高射速是现代武器改进与研制的重要方向，而弹链供弹是速射武器供弹的主要方式之一，弹链的力学性能中尤以脱弹力及脱弹阻力为主要性能，脱弹力大小的确定是以脱弹阻力为参考依据的。对内能源武器而言，脱弹力大小的选定尤为重要，脱弹力过大，在脱弹过程中将过多的消耗自动机的能量，降低自动机的后坐与复进速度，影响武器射速，甚至影响武器射击的连发性能。因此研究弹链脱弹阻力对提高速射武器的射速很有必要。在开式弹链脱弹力计算方面的研究不乏文章，有将弹链节简化为开口圆弧形曲杆的理论研究［1］，也有推导弹链脱弹过程有限元计算公式法［2］等，都为计算脱弹力提供了一定的理论依据和有效手段。但上述方法多为注重理论研究，且没有考虑摩擦在脱弹过程中的影响，笔者直接从研究脱弹阻力处着手，在考虑摩擦因素影响的情况下运用ABAQUS显示动力学仿真模块对脱弹过程进行仿真分析。

1 弹链的组成和作用

弹链供弹是速射武器的主要供弹方式，弹链是由若干个链节通过中间零件或搭挂联接而成，每一个链节容纳一发弹。链节的抱弹部具有一定的弹力，能将弹紧紧抱住，防止弹相对弹链运动。弹在链节中以弹斜肩或弹底槽做纵向定位。

在用弹链供弹的武器中，每次发射，输弹机构将弹链依次移动一个链节，使待进膛的弹移动到接近弹膛轴线的位置，然后由进弹机构推弹入膛。弹链的作用就是容弹具，并在射击过程中依次将弹带到进弹口或取弹口以保证连续射击［3］。

2 三维模型的处理

2.1 三维模型的建立

以某榴弹机枪开式弹链为研究对象，基于UG三维实体建模软件，按照弹链的图纸尺寸，建立弹链的实体模型如图1所示。

由图1可分析弹链的脱弹过程。在脱弹位置处，弹链固定，弹体在压弹板等外力作用下从弹链的下方（纵向）脱出，完成脱弹过程。该过程中，弹体要克服弹链前后抱弹部因弹性变形而产生的压力在脱弹反方向的阻力FN，还要克服因接触滑动而产生的摩擦力在脱弹反方向的阻力FS，二力之和即为脱弹阻力F，F＝FN＋FS。

2.2 三维模型的简化

由于弹链的三维模型复杂，而ABAQUS显示动态分析模块对网格划分比较严格，本着不影响分析脱弹阻力结果的原则，对弹链复杂结构进行简化，保留弹链前后抱弹部的完整结构尺寸，忽略其余不影响脱弹分析的复杂部分。

3 理论分析与计算

弹链脱弹受力情况如图2所示。供弹机脱弹时，向弹链夹弹片开口方向侧向将弹压出。弹链的前后夹弹片均可简化为对称的矩形断面悬臂梁，当向下压弹时，两对夹弹片必须张开让弹体通过。缺口张开的增量Δ为弹壳对应部分的直径与缺口原宽度的差。这样在弹体通过缺口瞬间，对称两夹弹片下端面承受水平作用力。

根据相关理论分析［4］，当弹链材料的弹性模量为E，夹弹片断面惯性矩为J，夹弹片断面中性线的半径为R时，水平作用力P为

式中γ为无具体量纲的系数，只与夹弹片圆心角φ和夹弹片端面半径与水平作用力所形成的夹角θ有关：

计算参数如表1所示。

表1 计算参数

表1中：E为材料的弹性模量；J为夹弹片截面惯性矩；R为夹弹片中性面半径；D为对应夹弹片处弹体直径；S为夹弹片缺口距离；Δ为脱弹过程中夹弹片缺口最大增量；φ为夹弹片包角；θ为夹弹片断面半径与水平作用力夹角；R1为夹弹片内半径；R2为夹弹片外半径；b为夹弹片宽度；h为夹弹片厚度。由φ和θ求得前后夹弹片的系数γ如下：

根据R、E、J、Δ等可得到：

前后夹弹片的脱弹力为

则总的脱弹力为：

4 仿真分析研究

仿真分析分两步进行，第一步分析夹弹片与弹体之间的过盈接触产生的抱弹力，此力值反应在弹链夹弹片的应力云图上；第二步在抱弹力基础上分析弹链脱弹阻力，脱弹阻力并非常力，它是随脱弹过程而大小变化的力，通常把它的最大值称为脱弹阻力。开式弹链脱弹过程看似简单，但此间弹体与弹链抱弹部之间的相互接触而产生的作用力及其复杂，有接触面间的正压力，也有因接触的相对滑动而产生的摩擦力，因接触面积的不规则性，所以在接触面的不同位置产生的正压力和摩擦力的大小及方向均不同。而脱弹阻力是脱弹过程中在接触面间产生的所有作用力在脱弹反方向分量的合成，运用ABAQUS可直接分析上述复杂过程。

4.1 有限元模型的处理

有限元仿真弹链材料选择结构钢，参数选取如下，弹性模量E＝210GPa，泊松比ν＝0.3，密度ρ＝7 850kg／m3。分析过程中将弹体简化为刚体，通过模型剖分将弹链划分为六面体单元［5］。

4.1.1 抱弹力仿真边界条件

抱弹力分析采用静态通用分析步，接触类型选择静态面面接触，注意主从面的选择不能颠倒，还要正确设置主从面干涉调整量参数，弹链上表面六自由度完全约束，仅保留弹体在x、y方向的自由度。

4.1.2 脱弹力仿真边界条件

选择六面体8节点减缩积分单元C3D8R 为弹链与弹体划分网格。接触类型选择显示分析的面面接触类型。弹体的表面为油漆，与结构钢接触时摩擦系数可取0.2。对弹链的上表面施加固定约束，对弹体赋予一个沿脱弹方向的初速度，初速的大小要能满足实现脱弹过程。建立的仿真模型如图3所示。

4.2 仿真结果

为得到真实的仿真结果，仿真过程完全模拟弹链实际脱弹过程，先模拟弹链抱弹力，在此基础上分析弹链的脱弹力。脱弹初始速度选择尤为重要，弹体与抱弹部的内表面相互接触作用，在弹体动能的作用下，将前后抱弹部撑开，完成脱弹过程。此过程中接触面并非时刻接触，而是在初速的撞击作用下接触－分离－接触的不断循环过程。理论上初速越小，得到的脱弹阻力越接近稳态分析，实际模拟过程中初速的大小由试验数据确定。

4.2.1 抱弹力结果分析

利用ABAQUS软件强大的分析功能，设置通用静态面面接触类型，将弹体与夹弹片之间的过盈接触量撑开，得到弹链在抱弹力情况下的应力云图如图4所示。

从图可知等效应力最大值为199.6MPa，位置靠近夹弹片根部。

4.2.2 脱弹力结果分析

仿真过程得到因弹性压力、摩擦力作用而分别产生的脱弹阻力FN、FS以及二者合力脱弹阻力F的时间历程曲线，如图5～图8所示。

由图5的弹性接触而产生的脱弹阻力时间历程曲线分析可知，在脱弹过程的起始阶段，阻力大小为10N，此即等效为抱弹力。脱弹过程的第一阶段0－0.23s区间，阻力较大并呈现振荡变化规律，该区间阻力最大值为37.72N。弹体与弹链抱弹部之间定义面面接触约束，但在给予弹体一定初速向下运动的过程中，两接触面之间不可能时刻保持接触，而是不断碰撞运动，所以会出现力值的波动变化。该规律符合脱弹过程的实际情况。在该曲线第二阶段0.23－0.47s区间，阻力变化呈现正负对称分布，且该时间段内力值波动较小，大小趋于6N左右，该区间是阻力方向由正转负的过渡区间，所以力值变化平稳。在脱弹的第一阶段，抱弹部内表面对弹体的作用力方向均指向弹体轴线，因轴线位置在抱弹部末端的上方，所以阻力为正值。随着脱弹过程的进行，弹体轴线位置继续下移，当与抱弹部末端在同一水平位置时，即0.34s时，阻力为0，过此时刻，弹体轴线在抱弹部下方，阻力为负值。脱弹过程第三阶段，阻力一直为负，对弹体已无阻碍作用及第四阶段阻力大小为0，弹体与弹链已经脱离接触，均符合实际情况。

如图6分析可知，从相对运动开始，摩擦力均存在，且值大小为正，对脱弹起阻碍作用。在脱弹过程第一阶段t＝0.23s时，摩擦力达到最大值16.25N，此阶段正是抱弹部开口位移不断增大的过程。因摩擦力大小是由接触压力与接触面性质共同决定的，所以摩擦力大小并不一定出现在抱弹部开口位移最大处（此时接触面积已为线接触）。

由图7分析可知，脱弹阻力大小由接触压力和动摩擦力产生的阻力决定，并与接触压力产生的阻力呈现一致的分布规律，图8为各阻力之间的对比关系。

脱弹阻力和节点110 位移曲线如图9所示。由图9脱弹阻力与抱弹部开口110节点位移时间历程曲线对比可知，脱弹阻力最大值为49.2N（单侧），且最大值出现位置并非在抱弹部开口位移最大处，而是在脱弹过程的第一阶段，此外，由位移时间历程曲线还可得出，在脱弹完成之后，抱弹部开口处110节点呈现周期性振荡，说明抱弹部没有发生屈服。

5 结论

以研究开式弹链脱弹阻力为出发点，运用显示动力学软件ABAQUS模拟仿真脱弹过程，并对仿真结果进行了理论评估，得到了抱弹力存在下弹链的应力云图及脱弹阻力与抱弹部开口位移时间历程曲线基本符合脱弹过程的真实情况。还得出脱弹阻力最大值为98.4N（大于88.1N 是考虑到摩擦影响）和脱弹阻力最大值发生位置并非在抱弹部开口位移最大处的结论。该仿真分析得出的数值与理论计算值对比说明摩擦因素对脱弹阻力的影响不可忽略，从而为脱弹阻力的分析提供了一种新方法，该方法可对其他弹链结构的分析提供参考，同时对解决具体的工程问题有同样的参考价值。

（References）

［1］刘演龙，王雷.开式弹链脱弹力分析［J］.火炮发射与控制学报，2012，（1）：39－42.LIU Yanlong，WANG Lei.The pull－off－force analysis of open ammunition chain［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2012，（1）：39－42.（in Chinese）

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［3］薄玉成，王惠源，李强，等.自动机结构设计［M］.北京：兵器工业出版社，2009：167－174.BO Yucheng，WANG Huiyuan，LI Qiang，et al.Automatic machine structure design［M］.Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry，2009：167－174.（in Chinese）

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［5］石亦平，周玉荣.ABAQUS有限元分析实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2006：42－51.SHI Yiping，ZHOU Yurong.ABAQUS detailed examples of finite element analysis［M］.Beijing：China Machine Press，2006：42－51.（in Chinese）