基于数值仿真的伸缩狼牙警棍抗冲击性能分析＊

崔莹

（武警工程大学装备管理与保障学院，陕西 西安 710086）

1 研究背景

警棍是武警部队和公安系统常规装备，其使用广泛，具有一定威慑和打击作用，既可有效制止暴力行为，也可用来挡护、防砍、防棍击等自我防卫。目前使用最为广泛的橡胶警棍性能单一，使用效果不甚理想，且不能满足不同场合下差异化攻击效果的需求。

针对现有警棍威力不足等问题，根据一线人员执行不同任务的实战需求，经反复论证，针对警棍攻击威力要求不一的问题，设计了一种可伸缩式的狼牙警棍，可大幅提升警棍的适度打击效果。设计完成后的外观示意图如图1所示，其结构剖视图如图2所示，主要由棍体、连杆、钢刺、端部螺帽、销钉、圆环等组成，钢刺与连杆通过销钉连接，使用时旋转端部螺帽可实现钢刺从棍体内伸出或收回。

图1 狼牙警棍外观示意图

图2 狼牙警棍剖视图

根据GA 886—2010《公安单警装备 警用伸缩警棍》[2]要求，警棍应具备良好的抗冲击性能，冲击性能测试一般通过落锤试验进行分析，为提高试验效率，促进棍体设计优化，通过有限元分析软件对其进行了仿真。

历史文献中通过数值仿真软件对不同设备的冲击分析研究较多。王海涛等[3]采用软件Ansys对某升降装置船用平台进行抗冲击动力学分析，得到冲击响应下的位移及应力，验证其设计可靠性。董飞飞等[4]通过实验与仿真分析对埋地长输管道在冲击载荷作用下的参数进行分析，其参数主要包括管道的振动加速度、应变等。谢新宇等[5]对Ti/CFRP层合板进行冲击分析，通过软件ABAQUS对复合材料铺角、钛板等参数与层合板的损伤建立关系。夏芊文[6]通过理论、数值及实验三种方法得到了各个参数对H型钢柱动力冲击响应的影响。目前尚未有相关学者针对警棍的抗冲击性能进行研究。

本文拟采用软件Ansys Workbench对狼牙警棍抗冲击性能仿真，得到棍体及钢刺的应力及变形。同时，引入评判钢刺强度及警棍攻击力的2个参量，针对钢刺的材质及长度进行灵敏度分析，并对两种不同击打方式对比仿真，进而指导警棍抗冲击性能设计。

2 有限元模型建立

2.1 模型简化

在开展有限元分析时，为了提高计算效率，一般需对所分析结构进行简化。狼牙警棍内部结构较为复杂，若将销钉全部建模分析，则钢刺与连杆铰接处存在大量摩擦。同时，本文研究重点为钢刺的强度，因此可将销钉省略简化。建模中忽略不必要的螺纹、倒角及孔等。在不失一般性的情况下，同时为了降低计算难度，所有仿真中均采用钢板作为击打目标。简化后的模型如图3所示。

图3 简化后的模型示意图

2.2 模型建立

2.2.1 网格划分与接触设置

警棍所有部件及钢板均采用四面体单元进行网格划分，其单元类型为8节点实体单元SOLID164，该单元经常被用于三维的显式结构实体分析。警棍棍体及钢刺均采用6061-T6铝合金，钢板选用304钢。网格划分完成后对现有网格加密一倍，发现最终仿真结果不超过2%，可证明网格划分的合理性。划分完成后的网格如图4所示。

图4 网格划分后结构示意图

2.2.2 边界条件加载

为了能模拟警棍冲击时的响应，计算时对警棍施加向下的初速度，使其撞击钢板。根据GA 886—2010中对冲击试验的描述，其初始速度为5 m/s。由于碰撞时间非常短，计算时假定为10-5s。各钢刺与棍体均设置为无摩擦接触，钢刺与连杆设置为铰连接，钢板底面采用固定全约束。撞击时首先考虑单排钢刺撞击钢板。

2.2.3 计算结果分析

求解时采用显式动力学分析（Explicit Dynamics）。仿真后的整体应力云图如图5所示，从图中可以看到，钢刺与钢板在撞击位置处应力最大，并且钢刺对棍体及与钢刺铰接位置处均产生一定的冲击压力，分别对棍体、连杆及销钉产生冲击变形，因此在警棍棍体及连杆设计时需考虑该位置的强度。钢刺上的应力分布放大云图如图6所示，可以看到从前端撞击点到销钉连接处，应力呈逐渐减小趋势。钢板撞击点放大云图如图7所示，可以发现钢板与钢刺撞击中心点处应力最大，并且应力呈中心放射状分布。

图5 撞击后警棍与地面应力云图

图6 钢刺应力云图

图7 钢板局部应力云图

3 钢刺参数灵敏度仿真分析

钢刺是狼牙警棍攻击力体现的关键部件。钢刺设计时主要考虑材料及长度2个参数。为了能更好对比不同参数下的警棍的攻击能力与强度，引入两个参量：碰撞后钢板在撞击点处的最大Mises应力σ1、钢刺上的最大Mises应力σ2。σ1值越大，说明警棍的攻击力越大。安全系数n=σs/σ2值越大，其比屈服强度σs越小，说明钢刺强度越高。

3.1 不同材料钢刺仿真分析

本节主要针对制作钢刺的常见材料进行仿真分析，钢刺的长度L=11 mm，不同钢刺材料属性如表1所示。

表1 不同钢刺材料属性表

304钢材质钢刺警棍冲击应力云图如图8所示，TC4材质所制钢刺警棍冲击应力云图如图9所示，对比6061-T6材质钢刺云图可以看到，三种材质的钢刺在冲击下应力云图类似，但其应力值差异较大。

图8 304钢材质钢刺警棍冲击应力云图

图9 TC4材质钢刺警棍冲击应力云图

提取3种材料对应的σ1、σ2、σs/σ2，如表2所示，通过分析可以发现，304材料的钢刺在撞击下应力σ2已超过其屈服极限，发生破坏。而TC4所制成的钢刺攻击力最大，并且安全系数n高于其余两种材料，比较适合作为钢刺材料。

表2 不同材料的钢刺参量值表

3.2 不同长度的钢刺仿真分析

本节主要针对同一材料下的不同长度L的钢刺进行冲击仿真分析。计算时，L值选取范围为8～13 mm，每间隔0.5 mm取一计算点，共计11个点。为了保证不同长度的钢刺仿真结果具有可对比性，钢刺材料均选用6061-T6。

σ1随钢刺长度L变化曲线如图10所示，σ2随钢刺长度L变化曲线如图11所示，从两图中可以看到，不同长度的钢刺上的应力差异较大，在总体趋势上应力σ1随L先增大后减小，并且在L=11 mm处取得最大值，但在该点的σ2值也较大。因此，建议在后续警棍设计中，在不超过材料的屈服强度σs的前提下，为了提高警棍攻击力，在一定范围内可尽量增大钢刺的长度。

图10 σ1随钢刺长度L变化曲线

图11 σ2随钢刺长度L变化曲线

4 双排钢刺撞击钢板仿真分析

在挥动警棍击打目标时，通常有两种可能性：一种为单排钢刺撞击目标，如图12所示；另一种为双排钢刺撞击目标，如图13所示。针对双排钢刺撞击钢板时的应力进行分析，对比单排与双排击打目标的作用效果。

图12 单排钢刺撞击示意图

图13 双排钢刺撞击示意图

双排与单排钢刺撞击建模类似，不同点为单排钢刺与钢板撞击时为7个接触点，而双排共计14个接触点。仿真时对钢板地面进行约束，警棍施加大小为5 m/s的初速度撞击钢板，撞击时间为10-5s。警棍所有材质均选用6061-T4，钢刺长度L=11 mm。网格单元类型采用与单排相同。建模完成后的网格如图14所示。

图14 双排钢刺撞击网格示意图

为了更好地观察钢刺受力变形情况，应力云图中将棍体隐藏，如图15所示，可以看到双排钢刺撞击最大应力值为185.45 MPa，并且发生于钢刺前端。

图15 连杆及钢刺应力分布云图

提取钢板撞击点处的最大Mises应力σ1、钢刺上的最大Mises应力σ2，具体如表3所示，可以发现双排钢刺撞击时的σ2较单排下降31.3%，而σ1较单排提高了45.6%。因此在面对普通目标时使用双排击打，不仅可以降低针刺撞机强度，还可有效提高警棍使用寿命。在击打危险目标时，可尽量采用单排钢刺击打以获得最大攻击力。

表3 单排与双排钢刺撞击应力表

5 结论

本文设计了一种针对不同任务需要可进行攻击力调整的新型伸缩狼牙警棍。对警棍的抗冲击能力这一重要性能指标，通过建立模型开展一系列仿真分析，得到以下结论：①单排钢刺击打目标时钢刺前端应力最大，目标撞击点处应力呈中心放射状减小，并且棍体、连杆等位置处均会产生冲击变形；②TC4材料所制狼牙警棍钢刺具有更高的攻击力及更长的使用寿命；③在不超过材料的屈服强度时，为获得更高的攻击力可尽量增大钢刺长度；④面对普通目标时使用双排钢刺击打目标以提高警棍寿命，在击打危险目标时尽量采用单排钢刺击打目标以获得最大攻击力。