面向性能分析的槍械數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

苑大威，夏雪蛟，李曉寅

(1.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102202； 2.中國兵器工業(yè)第208研究所， 北京 102202; 3.中國航天科工集團(tuán)第三研究院創(chuàng)新研究院， 北京 100074； 4.中國兵器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所， 北京 100089)

槍械是士兵的第二生命，其性能好壞是實(shí)現(xiàn)輕武器作戰(zhàn)效能的根本，槍械研制一般需經(jīng)過方案設(shè)計(jì)、初樣機(jī)設(shè)計(jì)、正樣機(jī)設(shè)計(jì)等步驟，該研制模式主要存在以下問題：槍械方案和技術(shù)指標(biāo)的確定往往依賴于設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論依據(jù)和仿真數(shù)據(jù)支撐，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的缺陷往往是通過實(shí)彈射擊試驗(yàn)時才發(fā)現(xiàn)。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)逐步開始建立數(shù)字樣機(jī)，通過計(jì)算機(jī)分析產(chǎn)品的功能性能，邵學(xué)輝研究導(dǎo)引頭隨動系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法[1]，方強(qiáng)研究了基于數(shù)字樣機(jī)的艦船維修性設(shè)計(jì)分析技術(shù)[2]，鄭黨黨研究飛機(jī)性能樣機(jī)技術(shù)及體系[3]，教忠建[4]，張偉[5]，許紅靜[6]等研究了掘進(jìn)機(jī)以及其他復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)建模方法。槍械不同于上述大型裝備，相關(guān)的功能性能仿真方法完全不同。本文通過建立槍械數(shù)字樣機(jī)，針對槍械各性能進(jìn)行全面系統(tǒng)的仿真分析，進(jìn)行性能分析和方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)由基于仿研模式的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、向基于正向研發(fā)的預(yù)測設(shè)計(jì)和預(yù)先驗(yàn)證轉(zhuǎn)變，減少設(shè)計(jì)與試驗(yàn)輪次，縮短研制周期，降低研制成本，為提高槍械設(shè)計(jì)、論證水平提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 槍械數(shù)字樣機(jī)總體設(shè)計(jì)

槍械數(shù)字樣機(jī)是以幾何樣機(jī)為基礎(chǔ)，基于仿真軟件建立功能樣機(jī)和性能樣機(jī)，通過計(jì)算機(jī)表達(dá)、驗(yàn)證、優(yōu)化槍械功能性能的的數(shù)字化模型。數(shù)字樣機(jī)圍繞設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)合理性、原理可行性、指標(biāo)可達(dá)性、技術(shù)措施有效性等4個維度(圖1)進(jìn)行系統(tǒng)分析和評價，具體的評價內(nèi)容如圖2所示。

圖1 槍械數(shù)字樣機(jī)分析維度示意圖

圖2 槍械數(shù)字樣機(jī)分析內(nèi)容框圖

功能分析主要包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，以分析評價結(jié)構(gòu)合理性和原理可行性；性能分析主要包括零部件疲勞壽命、射擊精度、終點(diǎn)威力、人機(jī)工效分析等，用于分析指標(biāo)可達(dá)性。

槍械數(shù)字樣機(jī)首先以三維幾何模型(UG構(gòu)建)為基礎(chǔ)，結(jié)合內(nèi)外彈道參數(shù)，在此基礎(chǔ)上基于Adams仿真軟件建立全槍多體動力學(xué)模型，獲得槍械自動機(jī)速度曲線、拋殼路線等主要特征數(shù)據(jù)，分析槍械動力學(xué)特性；基于Abaqus仿真軟件建立關(guān)鍵零部件應(yīng)力應(yīng)變仿真模型，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件強(qiáng)度分析，然后基于Designlife仿真軟件進(jìn)行疲勞壽命分析；威力性能分析包含殺傷威力和侵徹威力仿真分析，主要基于Dyna仿真軟件分析彈頭對明膠侵徹效應(yīng)、彈頭對鋼靶(松木靶)侵徹效應(yīng)；射擊精度分析將自動機(jī)運(yùn)動(Adams)、導(dǎo)氣壓力作用(Abaqus)、彈頭擠進(jìn)作用(Dyna)等仿真分析得出槍口跳動量、彈頭攻角，然后融入隨機(jī)內(nèi)外彈道方程計(jì)算立靶散布；安全性分析主要使用Adams仿真軟件進(jìn)行全槍跌落仿真、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)仿真，分析跌落狀態(tài)槍械發(fā)射機(jī)的安全性和待發(fā)狀態(tài)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的安全性；人機(jī)工效分析基于Adams仿真軟件分析槍械后坐力、扳機(jī)力和裝填力，基于Jack人因仿真軟件分析槍械舒適度和可達(dá)性。最終達(dá)到分析評價疲勞壽命、射擊精度、終點(diǎn)威力、人機(jī)工效、可靠性、安全性等具體性能參數(shù)的目的，槍械數(shù)字樣機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3。

圖3 槍械數(shù)字樣機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 槍械功能樣機(jī)建模及應(yīng)用

槍械功能樣機(jī)主要從多體動力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)兩方面建模。系統(tǒng)功能分析主要基于Adams仿真軟件分析槍械的供彈、拋殼、開閉鎖、快慢機(jī)、空倉掛機(jī)等機(jī)構(gòu)的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析主要基于Abaqus仿真軟件分析槍械零部件是否滿足強(qiáng)度要求，二者均是分析槍械系統(tǒng)功能能否實(shí)現(xiàn)，有關(guān)分析內(nèi)容如圖4所示。

圖4 全槍功能樣機(jī)分析內(nèi)容框圖

2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析包含全槍動力特性分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、能量(力、動量、沖量等參數(shù))分析等內(nèi)容，全槍機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真模型如圖5所示。全槍動力特性分析，包含平射、俯射、仰射狀態(tài)自動機(jī)運(yùn)動仿真，高低溫狀態(tài)自動機(jī)運(yùn)動仿真等內(nèi)容；機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析，包含供彈、拋殼、空倉掛機(jī)、快慢機(jī)、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等功能仿真內(nèi)容。能量分析，包含自動機(jī)運(yùn)動全過程能量分析、主要彈簧能量分析、擊發(fā)能量分析等內(nèi)容。

圖5 全槍機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真模型圖

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析包含閉鎖強(qiáng)度分析(圖6)、槍管強(qiáng)度分析(圖7)，擊發(fā)發(fā)射機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析，抽殼/拋殼機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析，空倉掛機(jī)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析等內(nèi)容。

槍管強(qiáng)度分析包含槍管內(nèi)膛及膛線強(qiáng)度分析；閉鎖強(qiáng)度分析包含閉鎖齒強(qiáng)度分析、槍管開閉鎖凸臺/凸榫強(qiáng)度分析、連接座強(qiáng)度分析等內(nèi)容；擊發(fā)發(fā)射機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析包含擊錘強(qiáng)度分析、擊針強(qiáng)度分析、發(fā)射機(jī)盒強(qiáng)度分析、阻鐵強(qiáng)度分析等內(nèi)容；抽殼拋殼機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析包含拉殼鉤強(qiáng)度分析、拋殼挺強(qiáng)度分析、拉殼鉤銷強(qiáng)度分析等內(nèi)容。

圖6 閉鎖強(qiáng)度仿真分析云圖

3 槍械性能樣機(jī)建模

槍械性能樣機(jī)在功能樣機(jī)的基礎(chǔ)上，面向零部件疲勞壽命、射擊精度、終點(diǎn)威力、人機(jī)工效等具體性能，進(jìn)一步研究形成具體的建模方法。全槍性能樣機(jī)構(gòu)建過程框圖如圖8。

3.1 疲勞壽命分析方法及應(yīng)用

疲勞壽命仿真分析方案如圖9所示，需要借助斷口分析確定零部件受力工況，基于Abaqus軟件仿真分析擊錘的最大主應(yīng)力/應(yīng)變，然后利用Designlife軟件進(jìn)行疲勞壽命仿真，分析過程如圖10所示，基于局部應(yīng)變法建立槍械零部件沖擊疲勞疲勞分析模型，形成基于斷裂力學(xué)的裂紋萌生預(yù)測方法[7]。

圖8 全槍性能樣機(jī)構(gòu)建過程框圖

圖9 槍械零部件疲勞壽命仿真分析方案框圖

圖10 擊錘疲勞壽命分析過程云圖

以某步槍擊錘為例，壽命試驗(yàn)4 200發(fā)時原擊錘斷裂，為典型的低周疲勞問題。然后通過仿真預(yù)測改進(jìn)擊錘的疲勞壽命，結(jié)果為11 600次(改進(jìn)擊錘在壽命試驗(yàn)11 000發(fā)出現(xiàn)裂紋)。

3.2 終點(diǎn)威力(射擊效力)分析方法及應(yīng)用

威力性能(射擊效力)分析主要基于Dyna軟件仿真彈頭對鋼靶+松木靶侵徹效應(yīng)，重點(diǎn)分析預(yù)測不同射擊狀態(tài)下彈頭余速及靶板穿透情況。首先通過隨機(jī)內(nèi)彈道程序輸出彈頭初速及誤差分布[8-9]，并輸入到隨機(jī)外彈道計(jì)算不同射角下規(guī)定射程處彈頭的速度和落角，得到速度和落角及隨機(jī)分布，并作為彈頭侵徹鋼靶+松木靶仿真模型的輸入，經(jīng)過仿真計(jì)算，結(jié)果直接輸出彈頭姿態(tài)、彈頭速度變化曲線，統(tǒng)計(jì)靶板穿透情況，獲得俯仰射狀態(tài)下的穿透率，實(shí)現(xiàn)槍彈威力綜合考核，如圖11所示。

圖11 槍械終點(diǎn)威力(射擊效力)仿真分析方案框圖

以某步槍為例，0.8°平射時，得到400 m處彈頭速度、落角及隨機(jī)分布，以最低速度和最大落角為輸入，最終仿真得出靶板穿透率100%，圖12、圖13所示。

圖12 某步槍彈外彈道計(jì)算結(jié)果界面

圖13 某步槍彈侵徹鋼靶松木靶仿真效果圖

3.3 人機(jī)工效分析方法及應(yīng)用

人機(jī)工效分析方案如圖14所示，首先通過內(nèi)彈道程序計(jì)算膛壓，然后基于Adams仿真軟件分析槍械后坐力、扳機(jī)力和裝填力(圖15)，并輸入到人因分析模型，即基于Jack人因分析軟件中的人體數(shù)據(jù)庫，開展人體槍械人機(jī)工效幾何建模、運(yùn)動建模研究。

圖14 人機(jī)工效仿真分析方案框圖

圖15 扳機(jī)力仿真分析圖

以某步槍為例，通過仿真得到人體使用該步槍的可達(dá)性、舒適性，同時得到后坐力、扳機(jī)力和裝填力等載荷作用下的承受度、體能消耗情況，如圖16所示，舒適度為二級，人體肩膀、腰椎等主要受力部位均能100%承受。

圖16 人機(jī)工效仿真分析界面

3.4 射擊精度分析方法及應(yīng)用

槍械射擊精度仿真分析方法的具體方案[10]如圖17所示：將初速誤差、攻角、射角偏差(包括橫向及縱向射角)等3個隨機(jī)變量建立概率密度函數(shù)數(shù)學(xué)模型輸入到隨機(jī)外彈道方程就可以得出槍械射擊立靶散布，獲得100 m處R50、R100值。其中初速誤差來源于影響內(nèi)彈道的裝藥量、彈重、藥室容積、啟動壓力等隨機(jī)因素，通過融入隨機(jī)內(nèi)彈道方程計(jì)算獲得(圖17)，攻角和射角偏差主要通過仿真分析獲取。

圖17 槍械射擊精度仿真分析方案框圖

以某步槍為例，攻角和射角偏差主要通過仿真分析獲取，即自動機(jī)運(yùn)動(圖5)、導(dǎo)氣壓力作用(圖18)、彈頭擠進(jìn)作用(圖19)等仿真分析得出槍口跳動量、彈頭攻角，最終計(jì)算得到R50=4.7 cm,R100=11.8 cm(圖20)。

圖18 槍口跳動位移云圖

圖19 彈頭出槍口姿態(tài)仿真效果圖

圖20 100 m立靶散布示意圖

4 結(jié)論

基于槍械幾何樣機(jī)，結(jié)合供彈、拋殼等主要功能性能要求以及疲勞壽命、射擊精度、終點(diǎn)威力、人機(jī)工效、可靠性、安全性等具體性能要求，研究具體的仿真技術(shù)和方法，通過仿真軟件建立了槍械數(shù)字樣機(jī)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了對物理樣機(jī)功能和性能的分析評價。槍械數(shù)字樣機(jī)的應(yīng)用，能夠減少樣機(jī)研制過程中的加工和試驗(yàn)輪次，縮短產(chǎn)品研制周期，提高產(chǎn)品研制效率和設(shè)計(jì)水平，未來在槍械設(shè)計(jì)中應(yīng)用將越來越普遍。