某自動(dòng)榴彈發(fā)射器剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真

徐 禮，毛保全，王傳有，徐振輝

（裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京100072）

自動(dòng)榴彈發(fā)射器是一種能自動(dòng)裝填、實(shí)施連發(fā)射擊的榴彈發(fā)射器，口徑通常在20mm以上[1].對(duì)自動(dòng)榴彈發(fā)射器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真可以預(yù)測(cè)其動(dòng)力學(xué)特性，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的工作可靠性，為武器系統(tǒng)總體方案的論證和關(guān)鍵技術(shù)的突破提供理論依據(jù).目前國(guó)內(nèi)對(duì)彈鏈供彈的榴彈發(fā)射器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真的研究較少，彈鏈供彈機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真比較復(fù)雜，需要將彈鏈考慮為柔性體，并且仿真過(guò)程中有大量的接觸/碰撞，加上自動(dòng)機(jī)仿真過(guò)程中的接觸/碰撞以及槍架腿桿柔性體，使得全系統(tǒng)的仿真難度增大，以往在對(duì)榴彈發(fā)射器的仿真研究中很少全面考慮此因素.文獻(xiàn)[2]對(duì)QLZ87式35mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器進(jìn)行了多剛體動(dòng)力學(xué)仿真分析，文獻(xiàn)[3]對(duì)某自動(dòng)榴彈發(fā)射器進(jìn)行了連發(fā)射擊仿真，文獻(xiàn)[4]對(duì)某單兵自動(dòng)武器的榴彈發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，并進(jìn)行了供彈、拋殼分析.它們的研究對(duì)象都是彈倉(cāng)供彈的榴彈發(fā)射器，并且采用多剛體動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行仿真.本文以某彈鏈供彈的自動(dòng)榴彈發(fā)射器為研究對(duì)象，考慮彈鏈及槍架腿桿的變形，運(yùn)用ADAMS和ANSYS軟件建立該榴彈發(fā)射器的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，驗(yàn)證了模型的可信度，得到了該自動(dòng)榴彈發(fā)射器的動(dòng)態(tài)特性，研究了不同射角和自動(dòng)方式對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的影響，分析了供彈機(jī)構(gòu)的工作可靠性.

1 發(fā)射過(guò)程分析

該自動(dòng)榴彈發(fā)射器口徑為25mm，采用身管短后坐－導(dǎo)氣混合式自動(dòng)方式、前沖擊發(fā)和彈鏈?zhǔn)絾纬坦棛C(jī)構(gòu)，自動(dòng)機(jī)質(zhì)量為3.66kg，活塞直徑為28mm.槍機(jī)在槍管節(jié)套內(nèi)回轉(zhuǎn)閉鎖，槍管下方裝有導(dǎo)氣裝置，槍機(jī)安裝在槍機(jī)框內(nèi)，槍機(jī)框后部裝有復(fù)進(jìn)簧和緩沖簧，槍機(jī)框沿機(jī)匣往復(fù)運(yùn)動(dòng)，供彈機(jī)構(gòu)及自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.

圖1 供彈機(jī)構(gòu)及自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理

扣動(dòng)板擊后，槍機(jī)框與槍機(jī)結(jié)合體在復(fù)進(jìn)簧的作用下完成復(fù)進(jìn)、撥彈、推彈等動(dòng)作.槍機(jī)進(jìn)入節(jié)套旋轉(zhuǎn)閉鎖，擊針撞擊底火擊發(fā)彈丸，彈丸在火藥燃?xì)庾饔孟孪蚯凹铀龠\(yùn)動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)氣孔后，氣室的火藥燃?xì)馔苿?dòng)槍機(jī)框加速后坐，并帶動(dòng)槍機(jī)旋轉(zhuǎn)開鎖，完成抽殼、進(jìn)彈、拋殼等一系列動(dòng)作.槍機(jī)框后坐壓縮緩沖簧并撞擊槍尾，在緩沖簧與復(fù)進(jìn)簧的作用下復(fù)進(jìn)到達(dá)掛機(jī)位置，結(jié)束一個(gè)射擊循環(huán).若扳機(jī)處于連發(fā)狀態(tài)，則槍機(jī)框以到達(dá)掛機(jī)位置速度為初始速度繼續(xù)復(fù)進(jìn)開始下一個(gè)射擊循環(huán).

2 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

2.1 基本假設(shè)

根據(jù)該自動(dòng)榴彈發(fā)射器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及射擊過(guò)程中自動(dòng)機(jī)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)：①武器系統(tǒng)中各構(gòu)件（除彈簧、彈鏈和槍架腿桿外）均作剛體處理；②槍架支腳與地面固定不動(dòng)；③彈簧內(nèi)耗忽略不計(jì).

2.2 多剛體模型的建立

該榴彈發(fā)射器主要由發(fā)射機(jī)構(gòu)、供彈機(jī)構(gòu)、機(jī)匣、自動(dòng)機(jī)、槍管、槍尾等部件組成，運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks建立各部件的實(shí)體模型，利用ADAMS與SolidWorks之間的數(shù)據(jù)接口將實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中，然后根據(jù)各部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后全系統(tǒng)共39個(gè)剛體.

根據(jù)假設(shè)①，選擇機(jī)匣為參照系[5].以槍口方向?yàn)閤軸正向，以豎直向下為z軸正向，以左手準(zhǔn)則確定y軸方向.按照系統(tǒng)內(nèi)各剛體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和受力情況，分別添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副和力元關(guān)系.機(jī)匣與槍架固定（槍架支腳與地面固定），與機(jī)匣直接連接的剛體有槍機(jī)框、受彈機(jī)座、受彈機(jī)蓋等12個(gè)剛體，其連接關(guān)系如圖2所示.其余剛體之間通過(guò)固定副、旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副等運(yùn)動(dòng)副以及碰撞和彈簧等力元連接在一起，其中機(jī)心與其他剛體的連接關(guān)系如圖3所示.

圖2 機(jī)匣與其他剛體之間的約束關(guān)系

圖3 機(jī)心與其他剛體之間的約束關(guān)系

模型中共15個(gè)固定副，12個(gè)移動(dòng)副、10個(gè)旋轉(zhuǎn)副、42個(gè)剛體碰撞.模型的總自由度：

D＝6×39－6×15－5×10－5×12＝34

2.3 柔性體模型的建立

供彈機(jī)構(gòu)中，彈鏈的抱彈部分受到擠壓變形.建模時(shí)，需要把彈鏈抱彈部分考慮為柔性體，彈鏈的其他部分仍可看作剛體.槍架系統(tǒng)中的3條腿桿的變形在武器射擊時(shí)不可忽略，建模時(shí)也應(yīng)考慮為柔性體[6].采用腿桿和彈鏈柔性體建立模型，使得仿真結(jié)果更符合實(shí)際.

ADAMS采用模態(tài)柔性來(lái)表示物體的彈性，運(yùn)用模態(tài)中性文件來(lái)描述，本文采用ANSYS生成彈鏈和腿桿的模態(tài)中性文件，然后導(dǎo)入多剛體模型代替相應(yīng)的剛體.替換后修改彈鏈抱彈部分與彈體之間的接觸為柔性體與剛體接觸.導(dǎo)入柔性體模態(tài)文件時(shí)，應(yīng)與ANSYS中計(jì)算的模態(tài)進(jìn)行比較，檢查固有頻率和振型是否相符，同時(shí)剔除影響不大的剛性模態(tài)[7].

引入柔性體后的彈鏈模型和槍架模型分別如圖4和圖5所示，槍架腿桿與發(fā)射器和地面之間都為固定約束.

圖4 彈鏈柔性網(wǎng)格模型

圖5 槍架腿桿柔性網(wǎng)格模型

2.4 載荷參數(shù)的確定

自動(dòng)機(jī)載荷參數(shù)是武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的重要參數(shù).考慮的載荷主要有抽殼阻力、膛底壓力、導(dǎo)氣裝置中氣室壓力和各種彈簧的作用力等.

1）抽殼阻力. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該榴彈發(fā)射器在膛壓降為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)開始抽殼，抽殼阻力為[8]

式中，μ為彈殼與彈膛之間的摩擦系數(shù)；EA為彈殼材料的彈性模量；LA為彈殼在彈膛內(nèi)的總長(zhǎng)；d為彈殼壁厚；δ1為彈殼與彈膛壁間的相對(duì)緊縮量.

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得δ1≈0.2mm，由式（1）計(jì)算得到抽殼阻力約為3 139N.仿真時(shí)，將該力施加到彈殼底部，力的作用時(shí)間為抽殼開始到彈殼離開彈膛的時(shí)長(zhǎng).

2）膛底壓力. 考慮身管后坐，膛底壓力分為從擊發(fā)到彈丸運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)氣孔、彈丸從導(dǎo)氣孔至飛出膛口和后效期3個(gè)時(shí)期，膛底壓力可運(yùn)用內(nèi)彈道程序和布拉文經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到[9].圖6為內(nèi)彈道壓力－時(shí)間曲線.

圖6 內(nèi)彈道壓力－時(shí)間曲線

3）氣室壓力. 氣室壓力由布拉文經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[9]：

式中，ps為氣室壓力；pd為彈丸經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔時(shí)膛內(nèi)的平均壓力；t1為彈丸經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔開始計(jì)起的時(shí)間；α為導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，取α＝2.329 9；b為時(shí)間參數(shù)，取b＝6.826×10－4.計(jì)算得到氣室壓力－時(shí)間曲線如圖7所示.

圖7 氣室壓力－時(shí)間曲線

4）彈簧作用力. 該自動(dòng)榴彈發(fā)射中的彈簧有復(fù)進(jìn)簧、自動(dòng)機(jī)緩沖簧、槍管緩沖簧和拉殼鉤簧等壓縮彈簧，還有撥彈齒簧和阻彈齒簧2個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧.在ADAMS樣機(jī)中，可以根據(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)列表

表2 扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù)列表

2.5 模型的驗(yàn)證

利用建立的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，?duì)該自動(dòng)榴彈發(fā)射器發(fā)射過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算.選用0°射角射擊時(shí)槍機(jī)框的速度、自動(dòng)機(jī)緩沖簧最大受力和射頻作為動(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(duì)比，誤差在10%以內(nèi)，證明了該模型具有較高的可信度.實(shí)驗(yàn)測(cè)得的槍機(jī)框速度v′k曲線如圖8所示，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3和表4，其中vk和v′k分別為仿真和試驗(yàn)得到的各特征點(diǎn)時(shí)刻槍機(jī)框速度，F(xiàn)max為自動(dòng)機(jī)緩沖簧最大受力，f為射頻，e為相對(duì)誤差.

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的槍機(jī)框速度曲線

表3 槍機(jī)框速度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表4 自動(dòng)機(jī)緩沖簧受力及射頻的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 發(fā)射過(guò)程仿真分析

采用本文建立的自動(dòng)榴彈發(fā)射器剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行三連發(fā)射擊仿真計(jì)算，得到該自動(dòng)榴彈發(fā)射器發(fā)射動(dòng)力學(xué)特性.仿真時(shí)間從扣動(dòng)扳機(jī)開始，射角為0°，仿真結(jié)果見(jiàn)圖9～圖16.

圖9 彈丸質(zhì)心的線速度和角速度曲線

圖10 槍口在水平方向的位移和速度曲線

圖11 槍口在高低方向的位移和速度曲線

圖12 槍機(jī)框質(zhì)心在射擊方向的位移和速度曲線

圖13 搖架質(zhì)心位移曲線

圖14 復(fù)進(jìn)簧作用力曲線

圖15 復(fù)進(jìn)簧變形和變形速度曲線

圖16 自動(dòng)機(jī)緩沖簧頂桿與槍尾碰撞的接觸力曲線

通過(guò)仿真計(jì)算可知：①第1發(fā)彈丸出膛口的時(shí)間為0.095 2s，速度為407m/s，彈丸出膛口時(shí)水平向槍口位移為1.2mm，高低向槍口位移為1.7mm；②第1發(fā)射擊時(shí)，自動(dòng)機(jī)最大后坐速度出現(xiàn)在0.095s，最大后坐速度為9.15m/s，自動(dòng)機(jī)后坐到0.118 2s時(shí)開始拋殼，此時(shí)自動(dòng)機(jī)速度為4.98m/s，拋殼結(jié)束后自動(dòng)機(jī)速度下降為3.31m/s，槍機(jī)框總行程為207.8mm；③由于搖架與柔性腿桿之間為固定連接，搖架質(zhì)心位移綜合反映了搖架與腿桿連接處的變形情況.

圖14、圖15分別為復(fù)進(jìn)簧作用力Fh、變形sh和變形速度vh曲線，圖16為自動(dòng)機(jī)緩沖簧頂桿與槍尾碰撞的接觸力F曲線.由第1發(fā)射擊的仿真可知：在0.132 6s時(shí)刻自動(dòng)機(jī)后坐到位，此時(shí)復(fù)進(jìn)簧和自動(dòng)機(jī)緩沖簧壓縮量最大，槍尾受到復(fù)進(jìn)簧作用力為156N，自動(dòng)機(jī)緩沖簧頂桿對(duì)槍尾的碰撞力為2 931N.因此，自動(dòng)機(jī)后坐到位時(shí)槍尾受力為3 087N，即復(fù)進(jìn)簧作用力與自動(dòng)機(jī)緩沖簧頂桿對(duì)槍尾的碰撞力之和.

3.2 射角和自動(dòng)方式對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性影響分析

1）不同射角對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性影響分析.

在單發(fā)0°射角和30°射角2種情況下，分別仿真計(jì)算了自動(dòng)機(jī)的速度，圖17為2種射擊條件下槍機(jī)框速度對(duì)比圖.

圖17 0°射角和30°射角時(shí)槍機(jī)框速度對(duì)比圖

該自動(dòng)榴彈發(fā)射器的自動(dòng)機(jī)質(zhì)量比較大，在不同射角條件下，重力對(duì)自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生一定的影響.當(dāng)武器以正射角向上射擊時(shí)，復(fù)進(jìn)過(guò)程中自動(dòng)機(jī)受到自身重力沿運(yùn)動(dòng)方向的分力，此力方向與自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反，將阻止自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)，使槍機(jī)碰撞槍管時(shí)的速度變小，延緩了擊發(fā)的時(shí)間.由仿真可知，30°射角時(shí)槍機(jī)碰撞槍管的速度比0°射角時(shí)減小了0.61m/s，擊發(fā)的時(shí)間延緩了3.73ms；后坐過(guò)程中自動(dòng)機(jī)受到自身重力沿運(yùn)動(dòng)方向的分力，此力方向與自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相同，將加速自動(dòng)機(jī)后坐，后坐時(shí)間比0°射角時(shí)要短.由圖17可知，30°射角單發(fā)射擊的時(shí)間比0°射角單發(fā)射擊的時(shí)間縮短了7ms，射頻提高了22min－1.

2）不同自動(dòng)方式對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性影響分析.

該自動(dòng)榴彈發(fā)射器為了在大口徑、大威力條件下控制武器全重、保證武器在任何情況下都工作可靠而采用了身管短后坐－導(dǎo)氣混合式自動(dòng)方式.采用該自動(dòng)方式可以將對(duì)武器機(jī)動(dòng)性、射擊穩(wěn)定性和射擊精度極為不利的第一沖量轉(zhuǎn)化為自動(dòng)機(jī)的工作能量.通過(guò)上述仿真計(jì)算可以看出，采用該混合式自動(dòng)方式，自動(dòng)機(jī)在不同射角下都有足夠的能量完成各項(xiàng)動(dòng)作，并且有一定的能量?jī)?chǔ)備，能夠保證武器在各種惡劣作戰(zhàn)環(huán)境下都工作可靠.

在仿真過(guò)程中，可以把槍管體與機(jī)匣固定起來(lái)，使槍管緩沖裝置不工作，從而使武器使用導(dǎo)氣式的自動(dòng)方式工作.2種不同自動(dòng)方式下槍機(jī)框位移和速度對(duì)比分別如圖18和19所示.

從圖19中可看出，在其他結(jié)構(gòu)不變的條件下，只采用導(dǎo)氣式自動(dòng)方式，自動(dòng)機(jī)最大后坐速度為6.29m/s，比采用混合式自動(dòng)方式小2.86m/s；由圖18可知，自動(dòng)機(jī)出現(xiàn)后坐不到位現(xiàn)象；由圖20可知，只采用導(dǎo)氣式自動(dòng)方式時(shí)，彈殼經(jīng)過(guò)拋殼點(diǎn)后，仍與槍機(jī)框有相同的速度，彈殼沒(méi)有離開彈底窩，說(shuō)明此時(shí)自動(dòng)機(jī)速度較低而不能有效地拋殼.

圖18 不同自動(dòng)方式下槍機(jī)框位移對(duì)比

圖19 不同自動(dòng)方式下槍機(jī)框速度對(duì)比

圖20 導(dǎo)氣式自動(dòng)方式下彈殼速度與槍機(jī)框速度對(duì)比

3.3 供彈機(jī)構(gòu)仿真分析

圖21為撥彈滑板位移sb與速度vb隨時(shí)間的變化曲線，圖22為撥彈阻力Ft曲線.

圖21 撥彈滑板位移和速度曲線

圖22 撥彈阻力曲線

通過(guò)仿真可知，從0.024s時(shí)刻開始，撥彈滑板在撥彈杠桿的帶動(dòng)下滑動(dòng)，直到0.075s時(shí)撥彈齒繞過(guò)待撥彈丸，撥彈滑板的行程為46.4mm.然后撥彈滑板保持在該位置，在0.097s時(shí)刻，撥彈滑板開始滑動(dòng)，撥彈齒推動(dòng)彈鏈到進(jìn)彈口位置，該過(guò)程中，第1發(fā)彈丸在脫鏈齒的作用下被擠出彈鏈，最大撥彈阻力為2 203N.在0.123s時(shí)刻完成撥彈動(dòng)作，撥彈滑板保持在此位置以待下一次供彈.

杠桿機(jī)構(gòu)作為供彈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，撥彈滑板在起動(dòng)和撥彈終了時(shí)速度有突變，撥彈杠桿和自動(dòng)機(jī)上的曲線槽有一定的碰撞.彈鏈節(jié)距為43mm，撥彈滑板行程滿足大于節(jié)距3～5mm的要求.

4 結(jié)論

本文基于ADAMS和ANSYS軟件建立了某自動(dòng)榴彈發(fā)射器的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

①該自動(dòng)榴彈發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，將支架和彈鏈考慮為柔性體，建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，仿真計(jì)算得到的彈丸、槍管、自動(dòng)機(jī)、復(fù)進(jìn)簧和供彈機(jī)構(gòu)等部件的動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律比較真實(shí)地反映了該榴彈發(fā)射器發(fā)射時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性.

②射角對(duì)自動(dòng)機(jī)速度有一定的影響，大射角時(shí)自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)速度比小射角時(shí)的慢，但后坐速度快，總的射擊時(shí)間縮短，射頻提高.在進(jìn)行復(fù)進(jìn)簧設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮射角對(duì)自動(dòng)機(jī)速度的影響，以保證不同射角下有足夠的能量使自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)到位并且閉鎖擊發(fā).

③該自動(dòng)榴彈發(fā)射器的供彈機(jī)構(gòu)工作可靠，能順利地完成撥彈、進(jìn)彈等一系列動(dòng)作.撥彈滑板在起動(dòng)和撥彈終了時(shí)速度有突變，但突變量不大，不影響供彈機(jī)構(gòu)的工作可靠性.

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