某自動(dòng)步槍發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真

宮鵬涵，周克棟，康小勇，李永建

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；2.軍械工程學(xué)院 火炮工程系，石家莊050003）

自動(dòng)機(jī)工作中構(gòu)件間的撞擊會使自動(dòng)機(jī)主、從動(dòng)件的速度發(fā)生突變，產(chǎn)生巨大沖量，影響零件強(qiáng)度和自動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性，從而影響武器連發(fā)射擊精度［1］。因此，研究活動(dòng)機(jī)件構(gòu)件間撞擊對于自動(dòng)武器結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有重要意義。本文以某自動(dòng)步槍為研究對象，基于動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了該步槍虛擬樣機(jī)模型，得到了該自動(dòng)步槍發(fā)射時(shí)活動(dòng)機(jī)件的動(dòng)力學(xué)特性和沖擊載荷情況。

1 某步槍發(fā)射過程分析

某步槍采用導(dǎo)氣式自動(dòng)原理，即利用槍膛內(nèi)導(dǎo)出的部分火藥燃?xì)鈳?dòng)自動(dòng)機(jī)完成自動(dòng)動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)步槍結(jié)構(gòu)原理簡圖

槍彈發(fā)火后，高溫高壓的火藥燃?xì)馔苿?dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)彈丸越過導(dǎo)氣孔后，部分火藥燃?xì)饨?jīng)過導(dǎo)氣孔進(jìn)入氣室沖擊活塞，活塞向后撞擊槍機(jī)框帶動(dòng)槍機(jī)后坐，并帶動(dòng)槍機(jī)回轉(zhuǎn)開鎖，隨后完成抽殼、拋殼等動(dòng)作，槍機(jī)框、槍機(jī)后坐至擊錘撞擊緩沖杠桿后停止；在緩沖杠桿和復(fù)進(jìn)簧的作用下槍機(jī)框帶動(dòng)槍機(jī)向前復(fù)進(jìn)，槍機(jī)向前復(fù)進(jìn)推彈進(jìn)膛，閉鎖槍膛；槍機(jī)框向前復(fù)進(jìn)至與機(jī)匣接套相撞后停止運(yùn)動(dòng)。

2 虛擬樣機(jī)模型的建立

2.1 基本假設(shè)

根據(jù)該自動(dòng)步槍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及射擊過程中活動(dòng)機(jī)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在不影響模型合理性的前提下，作如下假設(shè)［2－3］：①武器系統(tǒng)中各構(gòu)件均作剛體處理；②機(jī)匣與地面固定不動(dòng)；③不考慮子彈發(fā)射時(shí)作用在槍管上的阻力，將火藥氣體作用作為外力直接加載于槍機(jī)和活塞上；④由于推彈力相對火藥氣體作用力小很多，所以不考慮推彈力；⑤彈簧內(nèi)耗忽略不計(jì)。

2.2 多剛體模型的建立

運(yùn)用三維建模軟件Pro／E建立該步槍的三維實(shí)體模型，選用ADAMS與三維造型軟件Pro／E無縫連接的MECH／Pro菜單自動(dòng)生成剛體，然后導(dǎo)入機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。按照武器系統(tǒng)射擊時(shí)各零部件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和受力情況，分別添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)約束和力元關(guān)系。某自動(dòng)步槍多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖2所示。模型中共有30個(gè)剛體，18個(gè)固定副，3個(gè)移動(dòng)副，6個(gè)旋轉(zhuǎn)副，1個(gè)圓柱副，54個(gè)剛體碰撞。模型的總自由度：

D＝6×30－6×18－5×3－5×6－4×1＝23

槍機(jī)框、機(jī)匣與武器其他零部件連接關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖2 某自動(dòng)步槍動(dòng)力學(xué)仿真模型

圖3 槍機(jī)框與其它零部件的連接關(guān)系

圖4 機(jī)匣與其它零部件的連接關(guān)系

2.3 載荷參數(shù)的確定

載荷參數(shù)是武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的重要參數(shù)。根據(jù)步槍實(shí)際發(fā)射情況，考慮的載荷主要有槍膛合力、氣室壓力、抽殼阻力和各種彈簧的作用力等。

2.3.1 槍膛合力的計(jì)算

作用于膛底的火藥燃?xì)鈮毫κ遣綐屪詣?dòng)機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力?；鹚幦?xì)庾饔昧Φ脑紨?shù)據(jù)可根據(jù)槍管設(shè)計(jì)圖紙以及槍彈參數(shù)獲得［4－6］。利用內(nèi)彈道公式計(jì)算得到平均壓力p，如圖5所示。通過經(jīng)驗(yàn)公式將平均膛壓p轉(zhuǎn)化為膛底壓力pt，其轉(zhuǎn)化公式為［4］

式中：φ1為次要功計(jì)算系數(shù)，ω為裝藥量，m為彈丸質(zhì)量，F(xiàn)gh為槍膛合力，S為槍膛橫截面積。

圖5 內(nèi)彈道壓力－時(shí)間曲線

2.3.2 導(dǎo)氣室火藥燃?xì)庾饔昧Φ挠?jì)算

氣室內(nèi)的火藥氣體壓力的變化規(guī)律與膛內(nèi)火藥氣體壓力和導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，根據(jù)布拉文經(jīng)驗(yàn)公式［4］，導(dǎo)氣室火藥燃?xì)庾饔昧?/p>

式中：Fs為導(dǎo)氣室火藥燃?xì)庾饔昧?，pd為彈頭經(jīng)過導(dǎo)氣孔瞬時(shí)的膛內(nèi)平均壓力，a為與導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的結(jié)構(gòu)系數(shù)，t0為槍彈擊發(fā)后彈頭運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)氣孔的時(shí)間，Ss為導(dǎo)氣室活塞面積，b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時(shí)間系數(shù)。

2.3.3 抽殼阻力

抽殼阻力Fφ是指拉殼鉤從槍膛中把彈殼拉出時(shí)所遇到的阻力，可由抽殼阻力的近似計(jì)算公式獲得［5］：

式中：f0為彈殼與彈膛之間的摩擦系數(shù)，lk為彈殼在彈膛內(nèi)的總長，d1為彈殼內(nèi)徑，E1為彈殼材料的彈性模量，δ為彈殼壁厚，Δ為彈殼外表面與彈膛壁間的相對緊縮量，dpj為彈殼的平均直徑，α為彈殼錐型部的半錐度角，x為彈殼后退行程。

2.3.4 彈簧力

該自動(dòng)步槍中的彈簧有活塞簧、復(fù)進(jìn)簧、擊錘簧等壓縮彈簧，也有緩沖器簧、不到位保險(xiǎn)機(jī)簧等扭轉(zhuǎn)彈簧。ADAMS軟件的力庫提供了這2種彈簧，可根據(jù)彈簧的設(shè)計(jì)剛度和預(yù)壓力施加作用。主要彈簧參數(shù)如表1和表2所示，表中，k1為壓縮彈簧剛度，k2為扭轉(zhuǎn)彈簧剛度，F(xiàn)0為預(yù)壓力。

表1 壓縮彈簧參數(shù)

表2 扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù)

2.4 模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證虛擬樣機(jī)及仿真模型的可信性，本文將所計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。選取射擊時(shí)槍機(jī)框的速度作為動(dòng)力學(xué)模型的校核指標(biāo)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，誤差均在10%以內(nèi)，證明該模型具有較高的可信度。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比見表3，表中，v1為機(jī)框在各特征點(diǎn)時(shí)刻的速度，ev為速度相對誤差。

表3 機(jī)框速度仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

3 發(fā)射動(dòng)力學(xué)特性分析

對本文建立的某自動(dòng)步槍虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，得到其發(fā)射動(dòng)力學(xué)特性。仿真時(shí)間從槍彈發(fā)火的瞬間開始計(jì)時(shí)，仿真結(jié)果見圖6～圖8，圖中，v1，s1分別為機(jī)框速度和位移；v2，s2分別為槍機(jī)速度和位移；v3，s3分別為擊錘速度和位移。

圖6 機(jī)框速度、位移曲線

圖7 槍機(jī)速度、位移曲線

圖8 擊錘速度、位移曲線

由圖6槍機(jī)框運(yùn)動(dòng)速度的變化可知，槍機(jī)框后坐時(shí)的最大速度出現(xiàn)在槍機(jī)框剛開始后坐時(shí)，v1＝7.15m／s。槍機(jī)框復(fù)進(jìn)時(shí)，在槍機(jī)撞擊機(jī)匣時(shí)出現(xiàn)最大速度，v1＝4.70m／s。后坐時(shí)槍機(jī)框撞擊擊錘、復(fù)進(jìn)時(shí)槍機(jī)撞擊機(jī)匣接套和復(fù)進(jìn)到位時(shí)槍機(jī)框撞擊機(jī)匣都對槍機(jī)框存在較大的沖擊。

由圖7槍機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的變化可知，槍機(jī)作為從動(dòng)件大部分時(shí)間和槍機(jī)框一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)槍機(jī)與機(jī)匣接套啟動(dòng)斜面相接時(shí)，槍機(jī)速度v2＝4.67m／s。槍機(jī)與槍機(jī)框、擊錘、機(jī)匣都存在碰撞，所以槍機(jī)受到的沖擊也比較多。

由圖8擊錘運(yùn)動(dòng)速度的變化可知，擊錘后坐時(shí)的最大速度為槍機(jī)框碰撞擊錘瞬間，v3＝6.74m／s。擊錘在前后運(yùn)動(dòng)過程中與槍機(jī)、緩沖杠桿、不到位保險(xiǎn)之間都存在比較明顯的沖擊。

某自動(dòng)步槍射擊時(shí)，就武器本身而言，槍身受力的來源是火藥氣體作用下活動(dòng)機(jī)件與槍身碰撞所產(chǎn)生的載荷。在虛擬樣機(jī)中，這些載荷也就是固定架座機(jī)匣受到的沖擊載荷。機(jī)匣受到的沖擊載荷F如圖9所示。

圖9 固定架座在槍前后方向受到的沖擊載荷

圖中，a表示在膛底合力作用下槍機(jī)閉鎖支撐面與機(jī)匣接套閉鎖支撐面碰撞產(chǎn)生的載荷，b表示擊錘與緩沖器碰撞產(chǎn)生的載荷，c表示緩沖器上端向后運(yùn)動(dòng)到位與槍托體產(chǎn)生的載荷，d表示緩沖器下端向前運(yùn)動(dòng)到位與機(jī)匣碰撞產(chǎn)生的載荷，e表示復(fù)進(jìn)時(shí)槍機(jī)與機(jī)匣接套相撞時(shí)產(chǎn)生的載荷，f表示槍機(jī)框復(fù)進(jìn)到位與機(jī)匣碰撞產(chǎn)生的載荷。

由仿真結(jié)果可知，活動(dòng)機(jī)件產(chǎn)生的碰撞對槍身前后方向的沖擊較多。其中對槍身向后的沖擊主要來自2個(gè)方面：①槍彈發(fā)火后由火藥氣體產(chǎn)生的膛底合力；②槍機(jī)框后坐到位與緩沖器及槍托碰撞產(chǎn)生的沖擊力。對槍身向前的沖擊主要來源于槍機(jī)、槍機(jī)框向前復(fù)進(jìn)到位時(shí)與機(jī)匣接套碰撞產(chǎn)生的沖擊力。

4 結(jié)論

本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了某自動(dòng)步槍全槍發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型，確定了槍膛合力、導(dǎo)氣室壓力、抽殼阻力、彈簧作用力等參數(shù)載荷，并驗(yàn)證了模型的可信性。通過仿真計(jì)算獲得了一系列仿真結(jié)果。研究了該自動(dòng)步槍射擊時(shí)活動(dòng)機(jī)件的動(dòng)力學(xué)特性，分析了活動(dòng)機(jī)件前后運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的碰撞對槍身的沖擊情況，為該步槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人槍系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究及人機(jī)工效的評價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

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