子弹存储分离机构可靠性仿真试验结构研究

子弹存储分离机构可靠性仿真试验结构研究

蒙天生

济南大学机械工程学院  济南  250000

摘要：针对子弹在实际的子弹存储分离机构中可能存在的堆积现象、互相挤压损伤、触碰到底火而发生引爆危险以及不确定子弹能否顺利从出口狭槽排出等复杂的运动系统问题。运用EDEM-Recur Dyn仿真软件进行联合仿真分析。从运动机构系统的运动规律和子弹的运动轨迹以及子弹的运动受力状态出发，查看子弹在运动过程中是否会触碰到子弹底部的引爆点从而使子弹发生引爆的危险，并分析子弹运动时的轨迹与最大受力，从而为子弹在其内运动时的安全性与可靠性提供依据。

关键词：可靠性；EDEM-Recur Dyn联合仿真；存储分离机构；动力学

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引言

弹匣装填枪弹，是一项费力、费时的“力气活”， 手动装填枪械弹匣非常困难。因此，弹匣自动装载设备的研究是必要的。目前国内外弹药自动装填研究较少且其多是运用于大口径炮弹的装填[。小口径的弹药在自动装载设备中，由于子弹在设备内的推挤杂乱无章，设备运转时会使内部的子弹产生引爆等安全问题。

为了了解子弹产生安全隐患的原因，则需要先了解与子弹安全的相关参数。子弹底火的击发力是子弹是否会发生安全隐患的一个重要参数，而不同类型子弹底火的击发力也不尽相同。目前子弹底火的发射药一般都是高感度烈性炸药，这种炸药的感度极高，非常容易发生爆炸。虽然高感度烈性炸药容易发生爆炸，但想要成功击发还是需要通过撞针猛烈地撞击底火，根据相关资料显示，成功发射子弹的撞击力必须大于2kg的力量。 因此，只要不触碰到子弹的底火，或者当子弹底火受撞击力若是小于2 kg时，子弹将处于安全状态。通过对子弹在设备内安全问题研究分析所得到的结果，对后续弹匣自动装载设备的研究具有一定的参考意义。

1 Recur Dyn建模与约束参数设置

几何机构模型的精准构建不仅是减少子弹底火发生碰撞的可能性的关键，同时也是多体动力学模型的重要基础。在Recur Dyn中有许多微分方程求解器，用于求解多体系统运动的微分代数方程(DAEs)，以及描述运动的微分方程和封装接触约束的代数方程的复杂组合。

为了分析子弹在子弹存储机构内运动时的受力情况，将创建子弹存储分离机构的几何模型并导入到Recur Dyn当中，并为其添加所相对应的固定、旋转、接触及转动速度等关系，其三维实体模型如图1所示。

图1子弹存储分离机构三维实体模型

2 EDEM建模与模型参数设置

借助离散元EDEM平台，构建子弹颗粒的离散元模型。目前在离散元仿真数值软件EDEM中提供了两种方式：手动堆积颗粒建模和自动填充颗粒建模，需要根据不同的研究对象模型的复杂程度选择适宜的建模方式。利用第一种方式建模的子弹颗粒模型，其具体方式为：在EDEM的Add Particle界面上输入194个小球的圆心坐标及半径值，即可生成所需的子弹颗粒模型

3 Recur Dyn-EDEM协同仿真环境建立

在进行联合仿真之前，除需要对EDEM和Recur Dyn中建立各自的仿真模型外，还需要对EDEM和Recur Dyn的仿真模型配置交互接口形成协同仿真环境。

Recur Dyn和EDEM之间利用Wall文件作为点对点式交互数据的接口，在利用Wall文件进行EDEM和Recur Dyn协同仿真时，二者之间的计算互不影响，Wall文件只是起到协同仿真的接口封装和数据对接传递功能，模型的求解仍然在各自学科领域的仿真工具内进行，二者通过特定的时间节点进行数据交换共享。

4 仿真分析

4.1 仿真现象分析

子弹存储分离机构模型完成后，便可进行EDEM与Recur Dyn的耦合仿真。在旋转栅盘转速为0.75rad/s时。通过EDEM后处理导出的受力数据折线图与颗粒受力云图，对子弹在存储圆筒内的受力及状态进行分析，以确保子弹不发生安全隐患。由于EDEM导出的受力数据为。数值相对与在软件本身所示显示的数据较大，但其差异较小。其受力数据折线图与颗粒最大受力云图如图2所示。

(a)子弹受力折线图

(b) 3.52 s子弹受力云图

图2子弹颗粒8s内受力图

从图2可知，子弹受力的最大值出现在3.5 s左右,此时最大总力为26.95 N。该作用力作用不在底火上，故不会造成子弹的引爆危险。

根据图2可知，子弹在存储圆筒内运动时，子弹受力发生了多次比较明显的突变，具体可分为三个阶段。

第一阶段受力突变在0~0.5 s左右，主要是由颗粒工厂生成的子弹刚掉落到存储圆筒内时所引起的，是子弹刚落下时与旋转栅盘和分离叶片碰撞时引起，随后子弹会随着旋转栅盘一起进行运动。

第二阶段突变在0.5~1s左右，该阶段子弹与分离叶片接触，但由于子弹刚运动，在分离叶片的隔间没有得到较好的分布，子弹之间仍存在较大的间隙，因此受力较小。此时的子弹只是发生稍微的移动，无弹起现象。

第三阶段突变为1~8 s，该阶段子弹与分离叶片接触，旋转栅盘与子弹颗粒、分离叶片与子弹颗粒互相挤压，彼此之间形成0~62.8rad/s的速度差，子弹之间的间隙较小，所受到的力相对较大，子弹会发生轻微的弹起现象。

子弹颗粒在设备内所受到的体力大小与旋转栅盘的转速呈现正相关。由于子弹是成堆且无序的进入到子弹存储机构中的，则刚开始的时候子弹是堆积在一起的，当栅盘的转速过小时，子弹很难发生弹起现象，很难使得子弹进行再次分布，子弹将无法摆脱堆积现象，从而使子弹分离并通过出口狭槽排出的效率大大降低。很难满足于后续的弹匣自动装载设备装载效率的需求。因此，旋转栅盘的转速不宜过快或者过慢。

通过仿真可知，旋转栅盘的转速在0.75rad/s为宜，此时既可以使子弹发生逐个分离，又可以保证子弹在设备内不发生安全问题。

5 结论

1.子弹颗粒在设备内所受到的体力大小与旋转栅盘的转速呈现正相关。旋转栅盘的转速不宜过快或者过慢。转速过快，子弹受力太大，会发生安全隐患。转速过慢，子弹不能进行逐个分离。旋转栅盘的转速在0.75rad/s为宜。

2.子弹颗粒从产生到逐个分离排出，子弹与旋转栅盘之间形成速度差较小，子弹受到的体力较小，且没有碰撞到子弹的底火，不会发生引爆的危险。

3.子弹在存储圆筒内运动时，偶尔会产生轻微的弹起现象。轻微的弹起可促进子弹再次分布和使子弹更好的落到旋转栅盘的栅格内。当子弹掉落到旋转栅盘内的栅格时，子弹会随着旋转栅盘一起同步运动，当其到达存储圆筒底部出口狭槽的时候就会从出口狭槽处排出。

4.本次研究结果对与后续弹匣自动装载设备的研究具有借鉴意义。

参考文献

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