新型射擊試驗用槍架設計與分析

金　鑫　周克棟　赫　雷　黃雪鷹　張俊斌

1.南京理工大學,南京,210094　　2.中國人民解放軍63856部隊,白城,137001

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新型射擊試驗用槍架設計與分析

金鑫1周克棟1赫雷1黃雪鷹2張俊斌2

1.南京理工大學,南京,2100942.中國人民解放軍63856部隊,白城,137001

摘要：為排除射擊試驗中由射手主觀差異造成的射擊效果差異性,設計了一種用于輕武器射擊試驗的新型槍架。基于國家標準和人-槍系統特點設計了槍架外形結構，通過模型仿真與真人試驗的對比分析獲得了槍架彈簧阻尼等系統參數。實驗結果表明，該射擊試驗槍架與真人射手射擊效果基本一致。因此采用該槍架代替真人射手進行的射擊試驗能夠排除射手主觀影響，使射擊試驗結果評定更具科學性。

關鍵詞:槍架;模擬人體;剛柔耦合模型;射擊效果

0引言

立姿手持武器射擊過程是以人體為架座，射手握持武器射擊，人-槍系統在射擊時的人-槍相互沖擊力作用下產生動態響應的過程[1]。因此在輕武器列裝前的檢測過程中，射手需要對槍支進行射擊試驗。試驗過程中，武器射擊效果主要受武器及彈藥自身的結構性能、人體在射擊過程中對武器后坐力產生的運動響應的影響。由此可見，射手的主觀因素，包括對武器的熟練程度、體型體力、心理狀態、情緒及疲勞程度，都可能對射擊結果產生較大影響，甚至會引起射擊效果異常[2-3]。

為排除射手的主觀因素，更客觀和科學地評價武器本身的射擊性能,許多學者研究了可代替真人射手進行模擬射擊試驗的槍架。其中，文獻[4]設計的一種模擬人體特性的試驗槍架，能夠在一定程度上模擬實現射擊過程中人體在各自由度方向上的運動，并進行射擊試驗，但存在兩個缺陷：①彈簧阻尼結構過于龐大，槍架主體部分與人體基本參數相差較遠；②彈簧阻尼參數調整主要依賴經驗和對射效的修正，缺乏有效的參考依據。文獻[5]設計了一種特種夾持系統，通過控制直線電機模擬射擊過程中的槍口響應，但存在如下缺陷：①特種夾持系統側重于武器的運動響應，與人-槍系統運動響應方式存在差異；②系統笨重，實際應用價值不大。

筆者基于GB 10000-88《中國成年人人體尺寸》及射擊過程中人-槍系統的運動規律，設計了能夠模擬真人射手進行射擊試驗的射擊槍架基本結構。基于試驗獲得的輸入力和輸出位移/角位移，進行了槍架的剛柔混合模型動力學仿真。通過仿真結果與真人射手射擊結果的對比分析,獲得了槍架各個自由度方向上的剛度與阻尼。利用加工完成的射擊試驗槍架原理樣機進行了射擊試驗。結果表明，所設計的槍架與真人射手射擊效果基本一致，能夠代替射手進行射擊試驗，具有工程應用價值。

1槍架結構

手持式武器以立姿射擊的使用機會居多，且立姿無依托射擊時人體所受的約束最少，最能反映出人體動態特性及其對武器運動的影響[6-7]。因此,本文根據立姿人-槍系統的結構特點及射擊過程中的運動規律,設計了四剛體五自由度的射擊試驗槍架。槍架的設計基于一系列射擊過程中人體運動的基本假設：①射擊過程中，人體下身相對于地面基本不動；②髖部連接上身和下身,上下身之間存在前后俯仰和側向收展；③胸部和腰部間存在左右扭轉；④武器繞肩部抵肩位置在豎直平面內存在上下轉動的上揚，同時武器存在沿槍管軸線后坐產生的后坐位移。

槍架外形尺寸參考GB 10000-88《中國成年人人體尺寸》，各環節間通過運動副結構模擬實現人體在射擊過程中的運動。設計的槍架三維模型如圖1所示。槍械通過專用夾具與滑塊固定，槍械、夾具以及滑塊可在導軌上自由滑動，模擬射擊過程中的武器后坐位移。上軀干參考人體胸部尺寸設計,上軀干部分與直線導軌末端通過轉軸連接，導軌整體可繞轉軸上下轉動。同時，上軀干左手通過片簧組件與導軌組件連接，可模擬武器上揚。下軀干參考人體腰部尺寸設計,上軀干可繞下軀干的轉軸結構左右轉動，二者間設計有彈簧阻尼系統，可模擬人體的左右扭轉。由于直線導軌與槍架上軀干部分頂部右側連接，相對上軀干中心存在偏置距，因此在武器后坐力作用下，上軀干會繞軀干鉛垂軸左右扭轉。下軀干通過十字轉軸結構與底座連接，二者間同樣設計有彈簧阻尼系統，可模擬人體前后俯仰和側向伸展。槍架底座與地面固定。

(a)等軸測視圖(b)俯視圖圖1　槍架三維模型

使用時,將槍械固定在導軌上，將各個自由度上的彈簧阻尼系統調至初始預定位置，進行校準射擊。而后,根據試射結果，對彈簧阻尼進行微調。全部調試完成后，即可進行射擊試驗。

2動力學仿真

本文對槍架三維模型進行了ADAMS動力學仿真，以獲得槍架彈簧阻尼系統的設計參數。仿真輸入的激勵力由真人射手射擊試驗獲得，將仿真計算結果獲得的槍架各自由度方向的位移/角位移與試驗獲得的真人射手各自由度方向的位移/角位移進行對比，若對比結果一致，則認為此時的彈簧阻尼系統參數即為所需的設計參數。

動力學仿真過程中，由于ADAMS軟件不自帶柔性體建模，故將設計的槍架通過上軀干左手的片簧與導軌連接，來模擬實現真人射手手臂對槍械的支撐和上揚運動的調節。首先利用有限元分析軟件ANSYS對片簧零件進行柔性體建模[8-10]。經過軟件有限元分析獲得片簧零件的模態信息(mnf文件)，然后將mnf文件以及所設計槍架的其余部分三維實體模型(Solidworks文件)導入ADAMS軟件，建立完整的射擊槍架剛柔耦合模型。

仿真計算后，對槍架模型的各個自由度方向執行測量操作，獲得模型在各自由度方向上的位移/角位移變化曲線。

3射擊對比試驗

筆者進行了立姿持槍射擊情況下的真人射手射擊對比試驗，測量獲得了人-槍系統各自由度方向的動態響應。試驗采用美國Dytran-1050C型壓電式力傳感器測試武器沖擊作用力，采用XSENS MTi-10型陀螺儀測試人體在沖擊作用下的動態響應。試驗重復多次,所得數據一致性較好。

試驗獲得的后坐力曲線如圖2所示，將后坐力作為激勵條件輸入槍架模型，將仿真獲得的槍架各自由度方向的位移/角位移曲線與試驗測得的人-槍系統各自由度方向的位移/角位移曲線進行對比，結果如圖3所示。

圖2　后坐力曲線測試結果

(a)前后俯仰方向角位移曲線

(b)左右扭轉方向角位移曲線

(c)側向收展方向角位移曲線

(d)武器上揚方向角位移曲線

(e)武器后坐方向位移曲線1.極值時刻點1　2.極值時刻點2　3.極值時刻點3

圖3真人試驗結果與槍架仿真結果對比

由圖3可以發現，人體動態響應與槍架彈簧阻尼系統動態響應的變化趨勢存在一定區別,這是由二者物理特性決定的。因此，本文通過調整槍架模型各自由度的彈簧阻尼系統參數，使得試驗測量結果的人-槍系統位移/角位移響應曲線的極大值時刻點與仿真計算結果的槍架模型位移/角位移響應曲線同一時刻點的幅值一致,認為此時槍架與人體的“最差”射效一致：即在極大值時刻點，射手和槍架的運動響應對射擊偏差造成的影響一致。參數組1～3為槍架模型在俯仰、扭轉、伸展和后坐四個自由度方向上的彈簧阻尼系統的剛度K和阻尼C參數組，如表1所示(片簧為設計零件，無需調節)，選取參數組2為各自由度彈簧阻尼系統的設計參數。

表1　仿真模型各彈簧阻尼系統參數組

將槍架的三維模型尺寸及表1中組2的參數作為彈簧阻尼系統設計參數，設計加工了射擊試驗槍架原理樣機，進行了原理樣機和標準射手的對比射擊試驗。試驗分為單發射擊和三連發射擊，結果如圖4～圖7所示。

圖4　槍架樣機單發射擊試驗彈著點坐標

圖5　真人射手單發射擊試驗彈著點坐標

圖6　槍架樣機三連發射擊試驗彈著點坐標

圖7　真人射手三連發射擊試驗彈著點坐標

根據國家軍用標準GJB 3484-98《槍械性能試驗方法》,采用密集度指標半數散布圓R50和全數散布圓R100、平均半徑RM對單發試驗結果進行考核。采用X、Y方向的最大偏差MX和MY,以及3組最大偏差的平均值MXM和MYM對三連發結果進行考核。考核結果如表2所示，可以發現二者射擊效果基本一致。

表2　射擊試驗結果考核　mm

4結論

(1)設計加工了一種新型射擊試驗槍架。該槍架能夠排除射擊試驗中射手主觀因素帶來的誤差，使得射擊結果評定更加精確和科學。

(2)建立了射擊試驗槍架的剛柔耦合仿真模型，通過仿真分析獲得了射擊試驗槍架各彈簧阻尼系統的設計參數。

(3)進行了射擊試驗槍架的實彈射擊試驗，試驗結果表明，設計的槍架與標準射手射擊結果基本一致。

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(編輯張洋)

Design and Analyses of a New Firing Platform for Shooting Tests

Jin Xin1Zhou Kedong1He Lei1Huang Xueying2Zhang Junbin2

1.Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094

2.63856 Unit of PLA,Baicheng,Jilin,137001

Abstract:A new firing platform for small arms shooting tests was designed herein, in order to exclude the differences of shooting results caused by different shooters during shooting tests.The structure of firing platform was designed based on national standard and characteristics of human-weapon system,and the parameters of spring-damping systems were obtained by contrastive analysis of model simulation and human tests. Experimental results show that the shooting results of designed firing platform are similar to human shooter results.Therefore,the designed firing platform in shooting tests may exclude the differences of shooting results caused by different shooters, so the evaluation of test results by designed firing platform is more scientific.

Key words:firing platform;human body simulation;rigid-flexible coupling model;shooting effect

作者簡介：金鑫,男,1987年生。南京理工大學機械工程學院博士研究生。主要研究方向為生物力學、仿生學、動力學建模仿真。周克棟，男， 1964年生。南京理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。赫雷,女,1973年生。南京理工大學機械工程學院副教授。黃雪鷹,女,1968年生。中國人民解放軍63856部隊高級工程師。張俊斌，男，1970年生。中國人民解放軍63856部隊高級工程師。

收稿日期：2015-06-29

中圖分類號：TJ22DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.24.010