某自動步槍發(fā)射動力學(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）

自動機工作中構(gòu)件間的撞擊會使自動機主、從動件的速度發(fā)生突變，產(chǎn)生巨大沖量，影響零件強度和自動機工作穩(wěn)定性，從而影響武器連發(fā)射擊精度［1］。因此，研究活動機件構(gòu)件間撞擊對于自動武器結(jié)構(gòu)改進具有重要意義。本文以某自動步槍為研究對象，基于動力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了該步槍虛擬樣機模型，得到了該自動步槍發(fā)射時活動機件的動力學(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)氣式自動原理，即利用槍膛內(nèi)導(dǎo)出的部分火藥燃氣帶動自動機完成自動動作。其結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖1所示。

圖1 自動步槍結(jié)構(gòu)原理簡圖

槍彈發(fā)火后，高溫高壓的火藥燃氣推動彈丸向前運動，當(dāng)彈丸越過導(dǎo)氣孔后，部分火藥燃氣經(jīng)過導(dǎo)氣孔進入氣室沖擊活塞，活塞向后撞擊槍機框帶動槍機后坐，并帶動槍機回轉(zhuǎn)開鎖，隨后完成抽殼、拋殼等動作，槍機框、槍機后坐至擊錘撞擊緩沖杠桿后停止；在緩沖杠桿和復(fù)進簧的作用下槍機框帶動槍機向前復(fù)進，槍機向前復(fù)進推彈進膛，閉鎖槍膛；槍機框向前復(fù)進至與機匣接套相撞后停止運動。

2 虛擬樣機模型的建立

2.1 基本假設(shè)

根據(jù)該自動步槍的結(jié)構(gòu)特點以及射擊過程中活動機件的運動規(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機匣與地面固定不動；③不考慮子彈發(fā)射時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。

2.2 多剛體模型的建立

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

D＝6×30－6×18－5×3－5×6－4×1＝23

槍機框、機匣與武器其他零部件連接關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖2 某自動步槍動力學(xué)仿真模型

圖3 槍機框與其它零部件的連接關(guān)系

圖4 機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)動力學(xué)模型的重要參數(shù)。根據(jù)步槍實際發(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 槍膛合力的計算

作用于膛底的火藥燃氣壓力是步槍自動機產(chǎn)生運動的原動力。火藥燃氣作用力的原始數(shù)據(jù)可根據(jù)槍管設(shè)計圖紙以及槍彈參數(shù)獲得［4－6］。利用內(nèi)彈道公式計算得到平均壓力p，如圖5所示。通過經(jīng)驗公式將平均膛壓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－時間曲線

2.3.2 導(dǎo)氣室火藥燃氣作用力的計算

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)驗公式［4］，導(dǎo)氣室火藥燃氣作用力為

式中：Fs為導(dǎo)氣室火藥燃氣作用力，pd為彈頭經(jīng)過導(dǎo)氣孔瞬時的膛內(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)后彈頭運動到導(dǎo)氣孔的時間，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所遇到的阻力，可由抽殼阻力的近似計算公式獲得［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

該自動步槍中的彈簧有活塞簧、復(fù)進簧、擊錘簧等壓縮彈簧，也有緩沖器簧、不到位保險機簧等扭轉(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 模型的驗證

為驗證虛擬樣機及仿真模型的可信性，本文將所計算的結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比。選取射擊時槍機框的速度作為動力學(xué)模型的校核指標，仿真結(jié)果與試驗結(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)果與試驗結(jié)果對比見表3，表中，v1為機框在各特征點時刻的速度，ev為速度相對誤差。

表3 機框速度仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

3 發(fā)射動力學(xué)特性分析

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

圖6 機框速度、位移曲線

圖7 槍機速度、位移曲線

圖8 擊錘速度、位移曲線

由圖6槍機框運動速度的變化可知，槍機框后坐時的最大速度出現(xiàn)在槍機框剛開始后坐時，v1＝7.15m／s。槍機框復(fù)進時，在槍機撞擊機匣時出現(xiàn)最大速度，v1＝4.70m／s。后坐時槍機框撞擊擊錘、復(fù)進時槍機撞擊機匣接套和復(fù)進到位時槍機框撞擊機匣都對槍機框存在較大的沖擊。

由圖7槍機運動速度的變化可知，槍機作為從動件大部分時間和槍機框一起運動，當(dāng)槍機與機匣接套啟動斜面相接時，槍機速度v2＝4.67m／s。槍機與槍機框、擊錘、機匣都存在碰撞，所以槍機受到的沖擊也比較多。

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

某自動步槍射擊時，就武器本身而言，槍身受力的來源是火藥氣體作用下活動機件與槍身碰撞所產(chǎn)生的載荷。在虛擬樣機中，這些載荷也就是固定架座機匣受到的沖擊載荷。機匣受到的沖擊載荷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閉鎖支撐面與機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動到位與槍托體產(chǎn)生的載荷，d表示緩沖器下端向前運動到位與機匣碰撞產(chǎn)生的載荷，e表示復(fù)進時槍機與機匣接套相撞時產(chǎn)生的載荷，f表示槍機框復(fù)進到位與機匣碰撞產(chǎn)生的載荷。

由仿真結(jié)果可知，活動機件產(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、槍機框向前復(fù)進到位時與機匣接套碰撞產(chǎn)生的沖擊力。

4 結(jié)論

本文基于虛擬樣機技術(shù)建立了某自動步槍全槍發(fā)射動力學(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，并驗證了模型的可信性。通過仿真計算獲得了一系列仿真結(jié)果。研究了該自動步槍射擊時活動機件的動力學(xué)特性，分析了活動機件前后運動產(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)動力學(xué)的研究及人機工效的評價奠定了基礎(chǔ)。

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