9x19 mm Tabanca Namlusunun İç Balistik Sürecinin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Analizi ve Deneysel Doğrulama
Abstract
Bu çalışmada, 9x19 mm kalibreye sahip bir tabanca sistemine ait namlu ve mermi geometrileri sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmiş ve ateşleme sonrası iç balistik sürece bağlı olarak gelişen termomekanik davranışlar sayısal olarak analiz edilmiştir. Silah sisteminde kullanılan namlu ve mermi ceketi için sırasıyla AISI 4340 ve pirinç malzeme atanmış; malzeme davranışlarının yüksek sıcaklık ve şekil değiştirme hızına duyarlılığı Johnson-Cook (JC) modeli ile temsil edilmiştir. İç balistik basınç-zaman verileri, Vallier-Heydenreich denklemleri yardımıyla elde edilmiş ve zamana bağlı olarak mermi ile namlu arasında gelişen gerilme, plastik deformasyon, sıcaklık ve mermi çıkış hızı değerleri Ansys Workbench yazılımının Explicit Dynamics modülünde analiz edilmiştir. Analiz sonuçları, gerçek atış düzeneğinde elde edilen deneysel verilerle doğrulanmış; elde edilen mermi çıkış hızının deneysel ölçümle %1,82 oranında bir sapma gösterdiği belirlenmiştir. Ayrıca, ateşleme sonrası mermi çekirdeğinde meydana gelen plastik deformasyon, gerçek atışlar sonrası taranmış olan mermi geometrisi ile karşılaştırılmış ve sayısal modelin fiziksel doğruluğu nicel olarak değerlendirilmiştir. Çalışma, doğrulanmış sayısal modellerin, prototip gereksinimini azaltarak balistik tasarım süreçlerini optimize etmede etkili bir araç olduğunu ortaya koymaktadır.
References
- [1] Morphy,C.C, Fisher,E.B, “The Role Carburization In Gun Barrel Erosion And Cracking”,Technical Library AD-A102625, (1981).
- [2] Özcan, H. (2012). 32CrMoV çeliğinin aşınma direncini arttırmak için yeni bir ısıl işlem metodunun geliştirilmesi [Master’s thesis, Hacettepe University].
- [3] Değirmenci, E. (2010, December). Yüksek sıcaklığa ve dinamik iç basınca maruz kompozit destekli boru tasarımı [Doctoral dissertation, Kırıkkale University].
- [4] Piticari, I.-L., Pirlot, M., Sava, A. C., & Vanhove, A. (2015). The influence of muzzle devices over bending vibrations of an automatic rifle barrel. Revista Academiei Forțelor Terestre, 3(79), 381–388.
- [5] Zhang, Y., Jia, Z. (2011). Dynamics simulation of floating automatic rifle. 2011 Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering, Inner Mongolia.
- [6] Nelson, C. W., & Ward, J. R. (1981). Calculation of heat transfer to the gun barrel (Memorandum Report ARBRL-MR-03094).
- [7] Huang, C. J. (1993, October). Transient stress and failure analysis of 105 mm gun barrel caused by projectile premature [Master’s thesis, Lehigh University].
- [8] Deng, S., Sun, H.K.,"Transient Finite Element For İn-Bore Analysis Of 9 mm Pistol", Applied Mathematical Modelling , Volume 38,Issues 9-10 (2013).
- [9] Sönmez, U. (2009, June). Obüs namlusu yanma odasında atış esnasında ortaya çıkan gerilmelerin matematiksel modellenmesi ve analizi [Master’s thesis, Sakarya University].
- [10] Öztürk, Y. F. (1999). Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemiyle namlu analizi [Master’s thesis, İstanbul University].
- [11] Akçay, M., & Yükselen, A. (2014). Unsteady thermal studies of gun barrels during the interior ballistics cycle with non-homogenous gun barrel material thermal characteristics. Thermal Science and Technology, 34(2), 75–81.
- [12] Daniş, F. (2014). Ballistic simulation software development for solid propellant guns [Master’s thesis, Middle East Technical University, Graduate School of Natural and Applied Sciences].
- [13] Gündüzer, O. (2011, November). Namlu cidarı boyutlandırılmasına iç balistik davranışın etkisi [Master’s thesis, Gazi University].
- [14] Tawfik, M. (2008). Dynamics and stability of stepped gun barrels with moving bullets. Advances in Acoustics and Vibration, 1–7.
- [15] Stiavnicky, M., & Lisy, P. (2013). Influence of barrel vibration on the barrel muzzle position at the moment when bullet exits barrel. Advances in Military Technology, 8(1), 89–102.
- [16] Ansys Inc. (2018). Ansys theoretical manual (Version 19.2).
Analysis of the Internal Ballistic Process of a 9x19 mm Pistol Barrel Using the Finite Element Method and Experimental Validation
Abstract
In this study, the barrel and bullet geometries of a 9x19 mm calibre pistol system were modelled using the finite element method, and the thermomechanical behaviour developing as a result of the internal ballistic process after firing was analysed numerically. AISI 4340 and brass materials were assigned to the barrel and bullet jacket used in the weapon system, respectively; the sensitivity of material behaviour to high temperature and strain rate was represented by the Johnson-Cook (JC) model. The internal ballistic pressure-time data were obtained using the Vallier-Heydenreich equations, and the stress, plastic deformation, temperature, and bullet exit velocity values developing between the bullet and the barrel over time were analysed in the Explicit Dynamics module of the Ansys Workbench software. The analysis results were validated with experimental data obtained from the actual firing rig; it was determined that the obtained bullet exit velocity showed a deviation of 1.82% from the experimental measurement. Additionally, the plastic deformation occurring in the bullet core after firing was compared with the bullet geometry scanned after actual firings, and the physical accuracy of the numerical model was quantitatively evaluated. The study demonstrates that validated numerical models are an effective tool for optimising ballistic design processes by reducing the need for prototypes.
References
- [1] Morphy,C.C, Fisher,E.B, “The Role Carburization In Gun Barrel Erosion And Cracking”,Technical Library AD-A102625, (1981).
- [2] Özcan, H. (2012). 32CrMoV çeliğinin aşınma direncini arttırmak için yeni bir ısıl işlem metodunun geliştirilmesi [Master’s thesis, Hacettepe University].
- [3] Değirmenci, E. (2010, December). Yüksek sıcaklığa ve dinamik iç basınca maruz kompozit destekli boru tasarımı [Doctoral dissertation, Kırıkkale University].
- [4] Piticari, I.-L., Pirlot, M., Sava, A. C., & Vanhove, A. (2015). The influence of muzzle devices over bending vibrations of an automatic rifle barrel. Revista Academiei Forțelor Terestre, 3(79), 381–388.
- [5] Zhang, Y., Jia, Z. (2011). Dynamics simulation of floating automatic rifle. 2011 Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering, Inner Mongolia.
- [6] Nelson, C. W., & Ward, J. R. (1981). Calculation of heat transfer to the gun barrel (Memorandum Report ARBRL-MR-03094).
- [7] Huang, C. J. (1993, October). Transient stress and failure analysis of 105 mm gun barrel caused by projectile premature [Master’s thesis, Lehigh University].
- [8] Deng, S., Sun, H.K.,"Transient Finite Element For İn-Bore Analysis Of 9 mm Pistol", Applied Mathematical Modelling , Volume 38,Issues 9-10 (2013).
- [9] Sönmez, U. (2009, June). Obüs namlusu yanma odasında atış esnasında ortaya çıkan gerilmelerin matematiksel modellenmesi ve analizi [Master’s thesis, Sakarya University].
- [10] Öztürk, Y. F. (1999). Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemiyle namlu analizi [Master’s thesis, İstanbul University].
- [11] Akçay, M., & Yükselen, A. (2014). Unsteady thermal studies of gun barrels during the interior ballistics cycle with non-homogenous gun barrel material thermal characteristics. Thermal Science and Technology, 34(2), 75–81.
- [12] Daniş, F. (2014). Ballistic simulation software development for solid propellant guns [Master’s thesis, Middle East Technical University, Graduate School of Natural and Applied Sciences].
- [13] Gündüzer, O. (2011, November). Namlu cidarı boyutlandırılmasına iç balistik davranışın etkisi [Master’s thesis, Gazi University].
- [14] Tawfik, M. (2008). Dynamics and stability of stepped gun barrels with moving bullets. Advances in Acoustics and Vibration, 1–7.
- [15] Stiavnicky, M., & Lisy, P. (2013). Influence of barrel vibration on the barrel muzzle position at the moment when bullet exits barrel. Advances in Military Technology, 8(1), 89–102.
- [16] Ansys Inc. (2018). Ansys theoretical manual (Version 19.2).
Details
| Primary Language | English |
|---|---|
| Subjects | Ballistic Systems, Solid Mechanics, Numerical Modelling and Mechanical Characterisation |
| Journal Section | Mechanical Engineering |
| Authors | |
| Publication Date | July 31, 2025 |
| Submission Date | June 17, 2025 |
| Acceptance Date | July 25, 2025 |
| Published in Issue | Year 2025 Volume: 1 Issue: 2 |
