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      某自動步槍連發(fā)動力學仿真分析

      2022-02-13 09:29:48張小石王憲升喻翔
      中國設(shè)備工程 2022年3期
      關(guān)鍵詞:機框導氣自動機

      張小石,王憲升,喻翔

      (重慶建設(shè)工業(yè)(集團)有限責任公司,重慶 401320)

      步槍在近距離戰(zhàn)場和城市巷戰(zhàn)中發(fā)揮著不可替代的作用,步槍自動機是步槍的一個重要零部件,研究自動機的動力學特性對提高自動步槍的可靠性有著重要意義,連發(fā)又是自動步槍的一項重要性能。查了大量仿真文獻,在仿真中機匣都與地添加的是固定副,相當于槍架仿真。目前國內(nèi)對抵肩連發(fā)動力學特性的研究仍處于空白,因此對自動步槍進行連發(fā)仿真有著重要意義。本文根據(jù)導氣式自動步槍的結(jié)果參數(shù),運用adams軟件建立了步槍的虛擬樣機模型,通過傳感器和仿真腳本的聯(lián)合使用,實現(xiàn)了5連發(fā)外力載荷的施加,通過仿真得到了5連發(fā)自動機的動力學特性曲線。通過對槍架和抵肩兩種工況連發(fā)自動機的動力學特性曲線的對比分析,能夠加深對自動機動力學特性的理解,對自動機的設(shè)計和后續(xù)自動步槍動力學仿真提供參考。

      1 自動步槍工作原理

      火藥燃氣通過導氣孔進入導氣室推動活塞做功,活塞向后運動撞擊機框,活塞和機框一起后坐,活塞走完活塞行程就停止后坐,機框帶動機頭走完開鎖前自由行程,機頭完成開鎖與機框一起后坐,機框在后坐的過程中完成抽殼、拋殼等動作,當機框后坐到位后,在復進簧的作用下機框開始復進,機框在復進的過程中完成推彈、機頭閉鎖動作,當機頭走完閉鎖后自由行程,機框與節(jié)套碰撞后,槍機復進到位。

      2 虛擬樣機模型的建立

      2.1 基本假設(shè)

      由于自動步槍在擊發(fā)的過程中,零部件間的相互受力和相對運動比較復雜,在建立虛擬模型的時候抓住主要影響因素,忽略次要影響因素,在不影響模型的合理性的基礎(chǔ)上,做出以下假設(shè)。

      (1)自動步槍中的個構(gòu)件作剛體處理。

      (2)不考慮人體的緩沖作用,機匣與地固定。

      (3)內(nèi)道道解算過程中遵循火藥燃燒的基本假設(shè)。

      2.2 多剛體模型的建立

      在Adams中建立的動力學模型如圖1所示。

      圖1 Adams中建立的自動步槍虛擬樣機模型

      3 載荷參數(shù)的確定

      載荷參數(shù)是自動步槍動力學仿真模型中主要的考慮因素。根據(jù)自動步槍連發(fā)射擊過程中的實際受力情況,主要的載荷有膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力、各彈簧的作用力等。

      氣室內(nèi)火藥燃氣壓力的變化規(guī)律與膛內(nèi)氣體壓力和導氣裝置的結(jié)果參數(shù)有關(guān),根據(jù)布拉文經(jīng)驗公式,導氣室作用力公式為。

      式中,PS為氣室壓力,Pd為彈頭經(jīng)過導氣孔瞬時的膛內(nèi)平均壓力,b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時間系數(shù),α為與導氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的系數(shù),t為氣室壓力工作時間,S為導氣室活塞面積,ηs為導氣裝置的沖量效率,i0為膛內(nèi)壓力的單位全沖量,e為自然對數(shù)的底,F(xiàn)S為氣室力。根據(jù)氣室壓力變化規(guī)律,結(jié)合式(1)、(2)、(3)、(4)通過MATLAB軟件編寫氣室壓力程序。

      4 傳感器設(shè)置及外力施加

      要實現(xiàn)以上3個力的施加,要考慮到步槍在每發(fā)的射擊過程中伴隨著強烈的沖擊和震動及各震動間的耦合,導致自動機的每個自動循環(huán)過程不相等,從而導致膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力的施加時機存在不確定性,因此用傳統(tǒng)靠時間來施加外力的方法,在這里是行不通的。而這個仿真時間是通過Adams中傳感器sensor的返回值senval來實現(xiàn)的。

      氣室壓力的添加形式為:

      式中if函數(shù)為判斷函數(shù),AKSPL函數(shù)是樣條曲線輸入函數(shù),spline_1為氣室壓力曲線;senval(sensor_1)為傳感器的返回值。

      5 模型驗證

      為了驗證虛擬樣機和仿真模型的可信度,本文將仿真結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比,選取機框連發(fā)的速度的平均相對誤差作為動力學模型的校驗指標。機框最大后坐仿真速度7.38m/s,試驗速度6.94m/s,相對誤差6.3%,機框復進到仿真位速度4.18m/s,試驗3.85m/s相對誤差8.5%,若平均相對誤差在10%以內(nèi),可以認為仿真模型是可信的。

      6 發(fā)射動力學仿真分析

      本文通過對某自動步槍虛擬樣機模型進行動力學仿真,得到了機框的連發(fā)動力學特性,仿真時間從槍彈擊發(fā)的一瞬間開始計算,槍架機框五連發(fā)仿真結(jié)果見圖2,通過連發(fā)仿真能夠很好地理解自動機的動力學特性。

      圖2 槍架仿真機框5連發(fā)位移、速度曲線

      本文抵肩機框五連發(fā)仿真結(jié)果見圖3。在槍架仿真中,槍托與地添加固定副,但五連發(fā)槍托仿真總體情況是仿真曲線比較規(guī)整。速度位移曲線復進到位時槍機都有短暫的停頓,曲線上反映是保持某一值水平不變的。

      圖3 抵肩仿真機框5連發(fā)位移、速度曲線

      在槍架仿真中,槍托后加個緩沖彈簧,彈簧與地添加固定副。查了相關(guān)人體緩沖的相關(guān)文獻,該緩沖簧的剛度為10N/mm,阻尼為0.3N·s/mm。在槍機復進到位后,位移曲線在變化,而不是保持固定值。后坐的過程中,機框速度曲線變化波動比較大,這與加彈簧緩沖有關(guān),抵肩仿真比槍架仿真,更能夠體現(xiàn)自動步槍在連發(fā)射擊中的真實性。

      7 結(jié)語

      本文基于虛擬樣機技術(shù)建立了某自動步槍的動力學仿真模型。確定了膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力等載荷參數(shù),設(shè)置位移傳感器來控制外力的施加時機,通過senval(sensor)成功解決了自動機復進到位為初始狀態(tài)的載荷施加。并驗證了模型的可信性,對槍架和抵肩兩種工況對比進行了仿真分析。通過仿真計算得到了機框的連發(fā)動力學特性曲線,對自動機的設(shè)計、降射頻和后續(xù)自動步槍動力學仿真提供參考。

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