MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 45, t. 14, rok 2012 ISSN 1896-771X BADANIA NUMERYCZNE DYNAMICZNEJ ODPOWIEDZI UKŁADU AUTOMATYKI KARABINKA PODSTAWOWEGO PODCZAS STRZELANIA OGNIEM SERYJNYM Krzysztof Damaziak 2a, Andrzej Dębski 1b, Józef Gacek 1c, Jerzy Małachowski 2d, Paweł Płatek 1e, Ryszard Woźniak 1f 1 Instytut Techniki Uzbrojenia, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Wojskowa Akademia Techniczna 2 Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Wydział Mechaniczny, Wojskowa Akademia Techniczna e-mail: a Krzysztof.Damaziak@wat.edu.pl, b Andrzej.Debski@wat.edu.pl, c Jozef.Gacek@wat.edu.pl d Jerzy.Malachowski@wat.edu.pl, e Pawel.Platek@wat.edu.pl, f Ryszard.Wozniak@wat.edu.pl, Streszczenie Celem niniejszej pracy jest przedstawienie wybranych wyników badań numerycznych polegających na odwzorowaniu działania układu automatyki karabinka podstawowego kalibru 5,56 mm działającego na zasadzie odprowadzenia gazów prochowych przez boczny otwór w lufie z krótkim ruchem tłoka gazowego w warunkach ognia seryjnego (trzy strzały). W treści artykułu scharakteryzowano przyjęty do obliczeń model numeryczny MES, zdefiniowane warunki początkowo-brzegowe, zaprezentowano oraz omówiono otrzymane wyniki. NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF STANDARD ASSAULT RIFLE DYNAMIC RESPONSE DURING BURST FIRING Summary The main goal of the paper is to present the opportunities of FE analysis in process of investigation of modular small arms system dynamic response under burst firing. In the presented study authors describes method of investigation, loads boundary conditions and applied constitutive models. The achieved results of analysis such as kinematic and stress characteristics are depicted in the graphical form. Additionally, the displacement of muzzle tip is compared with experimental outcomes recorded while laboratory shooting. In the final part of the paper conclusions are drawn. 1. WSTĘP Zakład Konstrukcji Specjalnych wchodzący w skład wydziału Mechatroniki i Lotnictwa Wojskowej Akademii Technicznej wspólnie z Fabryką Broni Łucznik - Radom w latach 2007-2011 realizował projekt badawczy, którego celem było zaprojektowanie, wykonanie oraz przebadanie dwóch demonstratorów technologii karabinka podstawowego kalibru 5,56 mm w wersji klasycznej kolbowej oraz bezkolbowej typu bull-pup. Opracowane w ramach projektu karabinki spełniają wymagania narzucone przez współczesne trendy rozwojowe w dziedzinie broni strzeleckiej [1-3]. Modułowy charakter ich budowy pozwala na konfigurowanie alternatywnych wzorów użytkowych broni dostosowanych do wymagań taktycznych współczesnego pola walki. Spełnienie niniejszego założenia wymagało zastosowania układu automatyki działającego na zasadzie odprowadzenia 12
K. Damaziak, A. Dębski, J. Gacek, J. Małachowski, P. Płatek, R. Woźniak gazów prochowych przez boczny otwór w lufie z krótkim ruchem tłoka gazowego (oddzielenie tłoka gazowego od suwadła). Szczegółowy opis jego działania scharakteryzowano w następujących publikacjach [4-7] oraz przedstawiono na rys. 1. Przyjęte rozwiązanie układu automatyki, będące novum dla krajowego producenta uzbrojenia, poddano ocenie w trakcie badań o charakterze numeryczno - eksperymentalnym. Ich zakres obejmował m.in. analizę charakterystyk kinematycznych, dynamicznych oraz wytrzymałościowych istotnych elementów roboczych układu, tj. podzespół suwadła oraz tłok Porównanie charakterystyk kinematycznych (przemieszczenie oraz prędkość) stanowiących wynik symulacji numerycznych z danymi eksperymentalnymi zarejestrowanymi kamerą szybką w trakcie strzelania na stanowisku laboratoryjnym miało na celu potwierdzenie wiarygodności przyjętych do obliczeń modeli. Na podstawie analizy wyników komputerowych symulacji odwzorowujących działanie układu automatyki stwierdzono, że w końcowym etapie jego pracy dochodzi do dynamicznego oddziaływania podzespołu suwadła z obsadą lufy oraz tłokiem gazowym. Powstająca siła Rys. 1. Widok ogólny analizowanego układu: 1 tłok gazowy, 2 wkładka komory gazowej, 3 suwadło, 4 obsada lufy, 5 zamek, 6 wodzik zamka, 7 sprężyna mechanizmu powrotnego, 8 zderzak elastomerowy gazowy. Zrealizowano je, wykorzystując do tego celu zaawansowane metody obliczeniowe: metodę układów wieloczłonowych MBA (z. ang. Multi Body Analysis) oraz metodę elementów skończonych FEM (z ang. Finite Element Method) wraz z opracowanymi, oryginalnymi modelami, których wiarygodność została potwierdzona na drodze badań laboratoryjnych [4-7]. reakcji o charakterze impulsowym pomiędzy wymienionymi komponentami wpływa na ich wytrzymałość oraz determinuje warunki początkowe dla kolejnego strzału. W związku z tym podjęto decyzję o wykonaniu dodatkowych badań numerycznych mających na celu określenie odpowiedzi układu automatyki w warunkach odwzorowujących strzelanie ogniem seryjnym. 13
BADANIA NUMERYCZNE DYNAMICZNEJ ODPOWIEDZI UKŁADU 2. CHARAKTERYSTYKA MODELU NUMERYCZNEGO UKŁADU AUTOMATYKI KARABINKA PODSTAWOWEGO Do przeprowadzonych badań dynamicznych wykorzystano środowisko programu LS-Dyna. Pozwala ono na rozwiązanie pełnego równania dynamicznego z wykorzystaniem jawnego schematu całkowania opartego na metodzie różnic centralnych. W badaniach wykorzystano model numeryczny, którego wiarygodność potwierdzono podczas symulacji pojedynczego strzału [4-7]. Na rys. 2 przedstawiono widok ogólny modelu składającego się z trzech zasadniczych podzespołów funkcjonalnych: lufy, suwadła oraz komory zamkowej. Podstawą do jego budowy była przestrzenna dokumentacja konstrukcyjna karabinka opracowana w programie CAD. Ze względu na dużą złożoność geometryczną obiektu poczyniono w nim pewne uproszczenia. Polegały one na usunięciu cech, które nie wpływały na funkcjonalność oraz wytrzymałość poszczególnych części, a w znaczący sposób ułatwiły proces budowy modeli dyskretnych wchodzących w skład całego układu karabinka. Najistotniejszym uproszczeniem było wyeliminowanie z modelu geometrii zamka oraz krzywoliniowego wycięcia w bocznej ścianie suwadła. Wprowadzone zmiany uwzględniono w modelu numerycznym podzespołu suwadła. Próba dokładnego odzwierciedlenia geometrii zamka oraz suwadła wymagała znacznego zredukowania wielkości elementów skończonych przyjętych do ich opisu z uwagi na warunek stabilności rozwiązania, który jest związany z wielkością kroku całkowania. Zastosowanie elementów o niewielkich wymiarach liniowych mogłoby skutkować krokiem całkowania nawet na poziomie 10-9 1/s. W konsekwencji zbudowany model całego układu w sposób znaczący wydłużyłby czas analiz komputerowych z sześciu dni do kilku tygodni (symulacja trzech cykli strzału). Otrzymany model MES badanego układu zawierał 151 635 węzłów opisujących 105 224 elementy dyskretne. Do jego budowy wykorzystano elementy skończone heksagonalne, ośmiowęzłowe o liniowej funkcji kształtu. Rys. 2. Ogólny widok modelu numerycznego MES: 1 podzespół lufy z węzłem gazowym, 2 podzespół suwadła, 3 podzespół komory zamkowej 14
K. Damaziak, A. Dębski, J. Gacek, J. Małachowski, P. Płatek, R. Woźniak 3. DEFINICJA WARUNKÓW POCZĄTKOWO-BRZEGOWYCH DLA OPRACOWANEGO MODELU NUMERYCZNEGO KARABINKA Proces formułowania warunków początkowo-brzegowych przeprowadzono analogicznie do wcześniej realizowanych komputerowych symulacji odwzorowujących pracę układu automatyki w warunkach strzelania ogniem Rys. 3. Definicja przemieszczeniowych warunków brzegowych: a - zamocowania karabinka na stanowisku laboratoryjnym b - połączenia komory zamkowej z obsadą lufy i komorą spustową pojedynczym [4,7]. Przyjęta definicja przemieszczeniowych warunków brzegowych miała na celu odzwierciedlenie sposobu zamocowania karabinka na stanowisku laboratoryjnym (rys.3a) oraz odwzorowanie połączenia komory zamkowej z obsadą lufy oraz komorą spustową (rys.3b). Dla zaznaczonych obszarów odebrano trzy translacyjne stopnie swobody. W celu zdefiniowania wzajemnej współpracy pomiędzy poszczególnymi częściami karabinka, zdefiniowano 43 pary kontaktowe. W analizowanym przypadku zagadnienie kontaktu pomiędzy poszczególnymi elementami mechanizmu karabinka zostało opisane z zastosowaniem metody obliczeniowej bazującej na funkcji kary [8]. Wymuszeniem uruchamiającym działanie układu automatyki karabinka było ciśnienie działające na tłok gazowy oraz komorę gazową (rys. 4). Charakterystykę ciśnienia określono na podstawie badań doświadczalnych. Polegały one na strzelaniu z jednoczesną rejestracją przebiegu krzywej ciśnienia. Badania prowadzono wykorzystując do tego celu specjalnie zaprojektowane stanowisko laboratoryjne scharakteryzowane w pracy [9]. Interwały czasowe między kolejnymi cyklami pracy układu określono na podstawie analizy wyników badań doświadczalnych uzyskanych podczas strzelania ogniem Rys. 4. Przebieg ciśnienia wymuszającego działanie układu automatyki dla warunków odwzorowujących strzelanie ogniem seryjnym 15
BADANIA NUMERYCZNE DYNAMICZNEJ ODPOWIEDZI UKŁADU seryjnym z wykorzystaniem kamery do rejestracji przebiegów szybkozmiennych oraz programu Tema Motion 2D. Do opisu właściwości mechanicznych materiału poszczególnych części karabinka wykorzystano liniowy model konstytutywny. W przypadku zderzaka elastomerowego zastosowano model materiału umożliwiający opis jego właściwości mechanicznych zgodnie z przebiegiem) charakterystyki naprężenie-odkształcenie σ=f(ε) z uwzględnieniem zjawiska dyssypacji energii (rys. 5a). związku konstytutywnym dwuparametrycznego modelu Maxwella, który uwzględnia w swoim opisie szeregowe połączenie właściwości sprężystych elementu Hooke a i lepkiego płynu Newtona [8]. Właściwości sprężyny mechanizmu powrotnego, tj. sztywność oraz siłę wynikającą ze wstępnego ugięcia, opisano za pomocą sprężystego elementu dyskretnego zgodnie z dokumentacją konstrukcyjną karabinka (rys.5b). Definicja niniejszego modelu materiałowego bazuje na Rys. 5. Definiowanie właściwości mechanicznych a) zderzaka suwadła, b) sprężyny powrotnej 16
K. Damaziak, A. Dębski, J. Gacek, J. Małachowski, P. Płatek, R. Woźniak 4. WYNIKI ANALIZY NUMERYCZNEJ DZIAŁANIA UKŁADU AUTOMATYKI DLA WARUNKÓW ODWZOROWUJĄCYCH STRZELANIE OGNIEM SERYJNYM W wyniku przeprowadzonej symulacji komputerowej otrzymano wyniki, które umożliwiły określenie charakterystyk przemieszczenia oraz prędkości zarówno dla podzespołu suwadła jak i tłoka gazowego. Zostały one przedstawione w postaci wykresów (rys.6 7). Rys. 6 Charakterystyki kinematyczne Ls (t) - przemieszczenie, Vs (t) prędkość podzespołu suwadła podczas strzelania ogniem seryjnym na kierunku osi przewodu lufy Rys. 7 Charakterystyki kinematyczne Lt (t) - przemieszczenie, Vt (t) - prędkość tłoka gazowego podczas strzelania ogniem seryjnym na kierunku osi przewodu lufy Biorąc pod uwagę przebieg krzywych kinematycznych określonych dla tłoka gazowego na kierunku osi przewodu lufy (rys.7), można zauważyć, że otrzymane dla każdego strzału charakterystyki różnią się od siebie. Uzasadnieniem zaistniałej sytuacji jest przyjęte rozwiązanie konstrukcyjne układu węzła gazowego oraz brak elementu ustalającego (np. sprężyny) w sposób jednoznaczny położenie tłoka w chwili kiedy następuje kolejny strzał. Na rys. 8 zamieszczono wykres odwzorowujący zmianę położenia tłoka gazowego na kierunku osi Z dla trzech kolejnych cykli działania układu automatyki. Porównując otrzymane rozwiązanie z wynikami określonymi dla osi przewodu lufy w płaszczyźnie wylotowej, można zauważyć podobieństwo przedstawionych charakterystyk. Zaistniała sytuacja wynika z faktu, iż tłok gazowy stanowi element układu węzła gazowego podzespołu lufy. Zaproponowany sposób osadzenia lufy w komorze zamkowej (jeden punkt podparcia w obsadzie) oraz powstający niezrównoważony rozkład ciśnienia w przewodzie lufy w odległości otworu gazowego (spowodowany przepływem części gazów prochowych z przewodu lufy do komory gazowej) stanowią źródło powstałych przemieszczeń. Analizując zmianę przemieszczeń wylotu lufy, można stwierdzić, iż uzyskana krzywa ma charakter oscylacyjny, gdzie wartość amplitudy dla kolejnego strzału uwarunkowana jest od wychylenia osi przewodu lufy względem położenia neutralnego. Jeśli ruch będzie odbywał się do góry, wówczas wartość amplitudy ulegnie zmniejszeniu (następuje wytłumienie impulsu wymuszającego ruch), co można zauważyć dla drugiego strzału. W sytuacji, kiedy wychylenie wylotu lufy skierowane jest w dół i oddany jest kolejny strzał, wówczas wartość amplitudy przemieszczeń ponownie wzrasta. Przedstawione wyniki rozwiązania numerycznego dotyczące zmiany położenia osi lufy w płaszczyźnie wylotowej różnią się od danych eksperymentalnych. Uzasadnienie powstałych rozbieżności uwarunkowane jest przyjętymi założeniami upraszczającymi na etapie definiowania warunków początkowo-brzegowych. W prowadzonych symulacjach nie uwzględniono zmiany ciśnienia w przewodzie lufy wynikającego z przemieszczenia dna pocisku. Ponadto w trakcie jego ruchu dochodzi do plastycznej deformacji płaszcza pocisku, co powoduje częściowe wytłumienie powstających drgań przewodu lufy [10-12]. Zdefiniowane ciśnienie w komorze gazowej w całości oddziałuje na tłok. W rzeczywistości jest ono regulowane za pomocą otworów upustowych. 17
BADANIA NUMERYCZNE DYNAMICZNEJ ODPOWIEDZI UKŁADU Rys.8 Charakterystyka Lt przemieszczenie względne tłoka gazowego na kierunku osi Z w warunkach ognia seryjnego W celu uwiarygodnienia otrzymanych wyników badań numerycznych przeprowadzono dodatkowe badania w ujęciu eksperymentalnym. Polegały one na strzelaniu seryjnym reżimem ogniowym z karabinka z jednoczesną rejestracją wartości przemieszczenia wylotu lufy za pomocą kamery szybkiej. Ich rezultaty przedstawiono w postaci wykresu (rys. 10). wymuszającego działanie układu, po drugie jednopunktowy sposób połączenia lufy z komorą zamkową może skutkować nadmiernym rozrzutem pocisków podczas strzelania ogniem seryjnym lub ciągłym (rys. 10). Ruch tłoka w płaszczyźnie pionowej 0XZ w połączeniu z dynamicznym uderzeniem suwadła na kierunku jego działania jest źródłem powstających w nim lokalnych stanów koncentracji naprężeń o wartościach wpływających w znaczący sposób na jego wytrzymałość mechaniczną. Zmianę naprężeń w elemencie tłoka gazowego przeanalizowano w kilku obszarach (rys.11). Największe wartości naprężeń stwierdzono w miejscach zaznaczonych odnośnikami 2 oraz 3 w końcowej fazie działania układu automatyki karabinka. Biorąc pod uwagę dodatkowe czynniki wpływające na osłabienie wytrzymałości tłoka gazowego, takie jak wysoka temperatura gazów prochowych oraz zmiana jego położenia na kierunku osi Z, istnieje uzasadniona obawa, iż będzie on ulegał uszkodzeniu mechanicznemu (nałożenie się postaci giętnej drgań własnych z impulsem wynikającym ze zderzenia z suwadłem może doprowadzić do jego pękania w obszarze karbu geometrycznego zaznaczonego na rysunku indeksem 3 ). Rys. 9 Zmiana przemieszczeń wylotu lufy na kierunku prostopadłym do osi Z podczas strzelania ogniem seryjnym Rys. 11 Zmiana naprężeń zredukowanych według hipotezy H- M-H w tłoku gazowym podczas strzelania ogniem seryjnym:1 powierzchnia czołowa występu współpracującego z suwadłem, 2 powierzchnia boczna występu, 3 obszar łączenia, 4 powierzchnia czołowa obciążona wymuszeniem w postaci ciśnienia Rys. 10 Wyniki badań eksperymentalnych zmiany położenia wylotu lufy na kierunku prostopadłym do osi w płaszczyźnie pionowej podczas strzelania ogniem seryjnym Na podstawie analizy wyników zarówno z badań numerycznych jak i doświadczalnych można zauważyć, że zaproponowane wstępne rozwiązanie konstrukcyjne układu automatyki z krótkim ruchem tłoka gazowego charakteryzuje się pewnymi niedoskonałościami. Po pierwsze jest ono wrażliwe na zmianę impulsu ciśnienia 18
K. Damaziak, A. Dębski, J. Gacek, J. Małachowski, P. Płatek, R. Woźniak 5. PODSUMOWANIE Przeprowadzona analiza numeryczna odwzorowująca działanie układu automatyki karabinka wykorzystującego rozwiązanie z krótkim ruchem tłoka gazowego podczas strzelania ogniowym seryjnym (trzy strzały) pozwoliła na sformułowanie następujących wniosków: Rys. 12 Zmiana naprężeń zredukowanych według hipotezy H- M-H w podzespole suwadła podczas strzelania ogniem seryjnym w miejscu połączenia części zasadniczej suwadła z występem Dokonując oceny wytrzymałości podzespołu suwadła, stwierdzono, że występują w nim lokalne stany koncentracji naprężeń w charakterystycznych obszarach, które zaznaczono na rys. 12. Maksymalne wartości naprężeń występują w miejscu połączenia występu prowadzącego z częścią zasadniczą bryły suwadła (odnośnik nr 3) oraz w bocznej ścianie występu prowadzącego w połowie jego długości (odnośnik 2 ). Powstają one na skutek dynamicznego oddziaływania suwadła z obsadą lufy. W przypadku obszaru zaznaczonego indeksem 2 źródłem naprężeń jest podatność występu suwadła na wyboczenie, z kolei miejsce zaznaczone indeksem 3 uwarunkowane jest efektem karbu geometrycznego. Wytężenie materiału suwadła w miejscu połączenia występu prowadzącego z częścią zasadniczą oraz dynamiczny charakter oddziaływania suwadła z obsadą lufy może skutkować powstawaniem uszkodzeń mechanicznych. dokonując oceny jednopunktowego sposobu połączenia podzespołu lufy z komorą zamkową, stwierdzono wrażliwość zaproponowanego rozwiązania konstrukcyjnego na zmianę charakterystyki impulsu wymuszającego (zastosowanie amunicji tego samego kalibru pochodzącej od innego producenta o innej charakterystyce spalania ładunku prochowego może skutkować zwiększeniem rozrzutu pocisków), szybkostrzelność karabinka powinna być dobrana w sposób gwarantujący oddanie kolejnego strzału w chwili, kiedy ruch wylotu lufy w płaszczyźnie pionowej zostanie wytłumiony, zastosowanie elementu ustalającego w sposób jednoznaczny położenie tłoka gazowego po wykonaniu przez niego pracy polegającej na wprawieniu suwadła w ruch umożliwi zminimalizowanie powstających w nim lokalnych stanów koncentracji naprężeń. Wyniki przedstawionych badań wykorzystano w procesie projektowania karabinka podstawowego Modułowego Systemu Broni Strzeleckiej MSBS-5,56 mm. Na ich podstawie zespół konstruktorów z Zakładu Konstrukcji Specjalnych oraz Fabryki Broni wypracował rozwiązanie zapewniające poprawne funkcjonowanie układu automatyki. Literatura 1 Kupidura P., Woźniak R., Zahor M.: Stan obecny i perspektywy rozwoju w Polsce broni strzeleckiej podstawowej. Naukowe Aspekty Techniki Uzbrojenia. Cz. I. Warszawa 2008, s. 715 731. 2 Trzaska B., Wilk R.: SCAR broń dla komandosów. Broń i Amunicja 2006, nr 3, s. 45 50. 3 Lee Ch., Wilk R.: Magpul Masada i PDR. Broń i Amunicja 2007, nr 4, s. 36 39. 4 Damaziak K., Małachowski J., Płatek P., Woźniak R.: Analiza możliwości wykorzystania różnych metod numerycznych w procesie projektowania układu automatyki broni strzeleckiej kalibru 5,56 mm. Mechanik 2011, nr 2, s. 120-123. 5 Damaziak K., Małachowski J., Płatek P., Woźniak R.: Badania wpływu zmiany parametrów masowobezwładnościowych podzespołu suwadła na charakterystyki kinematyczne karabinka standardowego. Mechanik 2011, nr 7 (CD). 19
BADANIA NUMERYCZNE DYNAMICZNEJ ODPOWIEDZI UKŁADU 6 Damaziak K., Małachowski J., Płatek P., Woźniak R.: Badania wpływu sztywności sprężyny powrotnej suwadła w aspekcie dynamicznej odpowiedzi układu automatyki karabinka standardowego. Mechanik 2011, nr 7 (CD). 7 Damaziak K., Małachowski J., Płatek P., Woźniak R.: Badania sztywności materiału zderzaka suwadła w aspekcie dynamicznej odpowiedzi układu automatyki karabinka standardowego MSBS-5,56. Biuletyn Naukowy WITU Problemy Techniki Uzbrojenia 2011, z. 117, s. 123 131. 8 Hallquist J.O.: LS-Dyna. Theoretical manual. California Livermore Software Technology Corporation, 1998, 9 Jęczmyk A., Pac M., Torecki S., Woźniak R.: Stanowisko laboratoryjne do doświadczalnego badania działania mechanizmów karabinka działającego na zasadzie odprowadzenia gazów. Biuletyn Naukowy WiTU Problemy Techniki Uzbrojenia 2010, z. 113, s. 71 78. 10 Małachowski J., Łazowski J.: Modelowanie zagadnienia sprzężenia w środowisku ALE na przykładzie układu pocisk-lufa. W: Naukowe aspekty techniki uzbrojenia i bezpieczeństwa. Warszawa: Wyd. WAT, 2008. T. 1, rozdz. 2, s. 285 299. 11 Małachowski J., Łazowski J.: Numeryczne aspekty modelowania układu lufa-pocisk. Przegląd Mechaniczny 2007, nr 6, s. 33 38. 12 Łazowski J., Kamiński R., Małachowski J.: Analiza MES obciążeń cieplnych lufy podczas strzału. Biuletyn WAT 2008, Vol. LVII, nr 1, s. 215 228. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2007-2010 jako projekt rozwojowy. 20