基于ADAMS機(jī)槍射擊穩(wěn)定性動力學(xué)仿真分析

黃　曉，金永燦，趙東艷，廖振強(qiáng)，張茂文

(1.中國兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京　100000； 2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094；

3.中國人民解放軍73106部隊，江蘇 淮安　223311)

?

基于ADAMS機(jī)槍射擊穩(wěn)定性動力學(xué)仿真分析

黃曉1，金永燦2，趙東艷1，廖振強(qiáng)2，張茂文3

(1.中國兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京100000； 2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；

3.中國人民解放軍73106部隊，江蘇 淮安223311)

摘要：針對大口徑機(jī)槍射擊穩(wěn)定性低的問題，提出一種利用膛內(nèi)火藥氣體能量來減小槍口跳動的穩(wěn)定控制裝置；鑒于槍管在穩(wěn)定力作用下會發(fā)生變形，采用一種支架裝置來加強(qiáng)槍管的剛度；基于剛?cè)狒酆稀⒍嗳狍w動力學(xué)理論，以ADAMS、Matlab軟件為平臺，對改進(jìn)后的機(jī)槍進(jìn)行仿真，槍口跳動的最大位移值下降了46%，腳架振動的最大位移值下降了41%，射擊穩(wěn)定性得到明顯提高。

關(guān)鍵詞：射擊穩(wěn)定性；機(jī)槍；動力學(xué)仿真；ADAMS

本文引用格式：黃曉，金永燦，趙東艷，等.基于ADAMS機(jī)槍射擊穩(wěn)定性動力學(xué)仿真分析[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(1):40-42.

Citation format:HUANG Xiao, JIN Yong-can, ZHAO Dong-yan, et al.Dynamic Simulation Analysis on Firing Stability of Machine Gun Based on ADAMS[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):40-42.

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器作戰(zhàn)時的機(jī)動性要求較高，武器系統(tǒng)輕量化發(fā)展趨勢已越來越明顯，而射擊穩(wěn)定性是武器系統(tǒng)輕量化所必須考慮的核心性能指標(biāo)。近些年來，很多學(xué)者對射擊穩(wěn)定性提出新的見解，認(rèn)為射擊穩(wěn)定性和射擊精度密切相關(guān)。因此，射擊穩(wěn)定性應(yīng)該定義為：機(jī)槍在射擊時,無論機(jī)槍是否跳動,只要能夠保證彈丸出膛口瞬時的射向誤差在一定的允許范圍內(nèi),就認(rèn)為該機(jī)槍的射擊是穩(wěn)定的[1]。

杜忠華[2]建立了某火炮系統(tǒng)后坐和復(fù)進(jìn)時的穩(wěn)定性分析數(shù)學(xué)模型，分析了火炮穩(wěn)定條件以及射角、駐鋤長度及駐鋤埋深等參數(shù)對火炮射擊穩(wěn)定性的影響。陳明[3]建立了某機(jī)槍的多剛體動力學(xué)模型，以連發(fā)射擊時槍口的位移響應(yīng)為射擊穩(wěn)定性的評價標(biāo)準(zhǔn)，分析了自動機(jī)對機(jī)匣撞擊剛度和阻尼、土壤的剛度和阻尼等結(jié)構(gòu)參數(shù)對射擊穩(wěn)定性的影響規(guī)律。王瑞林[1,4]提出了3種射擊穩(wěn)定性原理，建立了某機(jī)槍的穩(wěn)定性力學(xué)模型，并分析了影響機(jī)槍射擊穩(wěn)定性的因素。

為提高機(jī)槍的射擊穩(wěn)定性，本文提出了一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，對機(jī)槍結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)改進(jìn)，并進(jìn)行動力學(xué)仿真，為提高機(jī)槍系統(tǒng)射擊穩(wěn)定性提供參考。

1穩(wěn)定控制裝置設(shè)計

在不改變機(jī)槍的自動方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，設(shè)計一種穩(wěn)定控制裝置來減小槍口跳動，鑒于槍管在穩(wěn)定力作用下會發(fā)生變形，設(shè)計了一種支架裝置來加強(qiáng)槍管的剛度。

穩(wěn)定控制裝置由中央導(dǎo)氣室和噴管組成，為了不影響射擊時瞄準(zhǔn)，設(shè)計兩個噴管，氣體朝兩個斜向上的方向高速噴出，從而產(chǎn)生一個垂直向下的氣流反推力，為了便于表述，又稱之為穩(wěn)定力。穩(wěn)定裝置沿槍管軸線方向的剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，與槍管的裝配如圖2所示。

圖1　穩(wěn)定控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　穩(wěn)定裝置安裝位置示意圖

在安裝穩(wěn)定裝置后，槍管受到穩(wěn)定裝置的氣流反推力時會發(fā)生變形，在槍管上安裝一個支架來提高槍管的剛度。由于槍管與導(dǎo)氣箍、提把沒有相對運(yùn)動，故虛擬樣機(jī)模型中以添加固定副的形式將它們連接在一起如圖3所示。

圖3　結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的機(jī)槍整體結(jié)構(gòu)示意圖

2安裝穩(wěn)定裝置后的火藥氣體壓力計算

由于膛內(nèi)部分火藥氣體流入穩(wěn)定控制裝置內(nèi)，會引起膛內(nèi)壓力、導(dǎo)氣室壓力和彈丸初速的變化，所以有必要在安裝穩(wěn)定裝置后重新計算火藥氣體壓力。

對穩(wěn)定控制裝置進(jìn)行氣體動力學(xué)計算主要分為3部分：通過內(nèi)彈道和后效期方程，可以計算出穩(wěn)定裝置導(dǎo)氣孔處的膛內(nèi)火藥氣體的溫度Tx、壓力Px和密度ρx的變化規(guī)律曲線。火藥氣體由導(dǎo)氣孔流入中央導(dǎo)氣室內(nèi)，氣體參數(shù)變化可以參照第三章導(dǎo)氣室內(nèi)氣體計算方程。火藥氣體經(jīng)中央導(dǎo)氣室后由噴管高速噴出，其過程可按照準(zhǔn)一維非定長流的方程進(jìn)行求解。

2.1火藥氣體彈道基本方程

因為膛內(nèi)部分火藥氣體會流入穩(wěn)定裝置內(nèi)，膛內(nèi)火藥氣體彈道基本方程做如下修改：

qmb1為中央導(dǎo)氣室流入秒流量；ei1為流入中央導(dǎo)氣室單位質(zhì)量氣體所具有的能量。

2.2中央導(dǎo)氣室氣體壓力計算

火藥氣體由導(dǎo)氣孔流入中央導(dǎo)氣室內(nèi)。中央導(dǎo)氣室內(nèi)氣體密度變化方程：

qmb1為中央導(dǎo)氣室流入秒流量；qmq1為中央導(dǎo)氣室流出秒流量；Vq01為中央導(dǎo)氣室的容積；ρq1為中央導(dǎo)氣室氣體密度。中央導(dǎo)氣室內(nèi)壓力變化方程：

ei1表示流入中央導(dǎo)氣室單位質(zhì)量氣體所具有的能量；eq1表示從氣室流出的單位質(zhì)量氣體所具有的能量；pq1和Tq1分別為中央導(dǎo)氣室內(nèi)氣體的壓力和溫度。

中央導(dǎo)氣室內(nèi)氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程，即

流量方程：

qmq1=NvpρpSp

N為噴管數(shù)量；vp、ρp、Sp為 噴管流入氣體的速度、密度以及噴管初始截面積。

2.3噴管內(nèi)氣流參數(shù)計算

將噴管內(nèi)氣體流動的過程視為準(zhǔn)一維非定常流動，并提出以下基本假設(shè)來簡化問題：

噴管內(nèi)氣流參數(shù)與噴管徑向距離無關(guān)，只與噴管軸向距離x和時間t有關(guān)。噴管內(nèi)壁氣體的摩擦和散熱滿足雷諾比擬關(guān)系。由于在每次射擊過程中，噴管起作用時間非常短，為十幾個毫秒，所以假設(shè)噴管內(nèi)壁溫度為一常數(shù)。

下面給出考慮噴管截面積變化、管壁摩擦和散熱的準(zhǔn)一維非定常流守恒型方程組：

p、ρ、T、v、e分別是氣體壓力、密度溫度、速度和比內(nèi)能。q、Z分別是單位時間管壁對單位質(zhì)量氣體的傳導(dǎo)熱和管壁的摩擦。

2.4穩(wěn)定裝置氣流反推力計算

由動量定理確定氣流反推力公式：

ρe、ve、Pe和se為噴管出口處氣流的密度、速度、壓強(qiáng)和噴管出口截面積，Pa為大氣壓強(qiáng)；N為噴管數(shù)量；β為噴管軸線與垂直方向夾角。

3仿真結(jié)果分析

建立好安裝穩(wěn)定裝置和支架后的機(jī)槍虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行動力學(xué)仿真[6]。由于結(jié)構(gòu)改進(jìn)后膛壓和導(dǎo)氣室壓力下降，槍管剛度得到提高，以下分析機(jī)槍的動態(tài)響應(yīng)情況，并與原仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

3.1槍口動態(tài)響應(yīng)分析

由圖4可知：子彈擊發(fā)后，火藥氣體作用于膛底形成翻轉(zhuǎn)力矩引起槍口上跳，槍口位移逐漸增大；當(dāng)子彈運(yùn)動經(jīng)過穩(wěn)定裝置位置后，穩(wěn)定裝置形成的氣流反推力抑制了槍口繼續(xù)上跳，所以彈丸出膛口瞬間槍口跳動值明顯減小。由于槍管安裝支架后剛度提高，槍口跳動位移在整個射擊過程中都有不同程度的減小。

彈丸出膛口時刻為子彈擊發(fā)時刻開始，再經(jīng)過短暫的內(nèi)彈道時間。通過設(shè)置一個傳感器，可以捕捉到彈丸出膛口時刻槍口的跳動位移值[5]。由于結(jié)構(gòu)改進(jìn)后內(nèi)彈道信號的觸發(fā)時間有延遲，所以結(jié)構(gòu)改進(jìn)后彈丸出膛口時刻也相應(yīng)的有小幅度的延遲。

圖4　結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后槍口高低方向的位移曲線對比

機(jī)槍在結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后，彈丸出膛口時刻槍口在高低方向上的位移值如表1所示。

表1　彈丸出膛口時刻槍口的位移值對比　mm

3.2腳架動態(tài)響應(yīng)分析

由圖4、圖5可知：機(jī)槍在結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后腳架在高低方向的位移響應(yīng)和槍口高低方向的位移響應(yīng)比較一致，在整個射擊過程中都有不同程度的減小。

圖5　結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后腳架高低方向的位移曲線對比

4結(jié)論

本文將穩(wěn)定裝置應(yīng)用于機(jī)槍系統(tǒng)，以ADAMS仿真軟件為平臺進(jìn)行動力學(xué)仿真，通過對比可以看出，機(jī)槍結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，槍口跳動的最大位移值下降了46%，腳架振動的最大位移值下降了41%，在機(jī)槍每一發(fā)射擊過程中，彈丸出膛口瞬間槍口跳動位移都有明顯下降，其最大值下降了53%，機(jī)槍的射擊穩(wěn)定性得到明顯提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑞林.大口徑機(jī)槍動力學(xué)特性與射擊精度研究[D].南京：南京理工大學(xué),2003.

[2]杜中華,黃濤,吳大林.火炮射擊穩(wěn)定性數(shù)值仿真[J].機(jī)械工程師,2014(4):97-100.

[3]陳明,馬吉勝,王瑞林.基于虛擬樣機(jī)的機(jī)槍結(jié)構(gòu)參數(shù)對射擊穩(wěn)定性影響規(guī)律研究[J].兵工學(xué)報,2008,29(10):1167-1171.

[4]王瑞林,陳運(yùn)生,郝躍偉.機(jī)槍相對穩(wěn)定性理論與模型建模[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004.10,28(5):472-476.

[5]李佳圣.三腳架支撐轉(zhuǎn)管機(jī)槍動系統(tǒng)動力學(xué)建模與氣動力控制振動研究[D].南京：南京理工大學(xué),2014.

[6]陳立平,張云清.機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[7]岳炯,于存貴，汪國梁，等.基于響應(yīng)面法的某火箭炮結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 [J].兵工自動化，2015(9):83-86.

(責(zé)任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

Dynamic Simulation Analysis on Firing Stability of

Machine Gun Based on ADAMS

HUANG Xiao1, JIN Yong-can2, ZHAO Dong-yan1, LIAO Zhen-qiang2, ZHANG Mao-wen3

(1.China Ordnance Industry 208thInstitute，Beijing100000，China; 2.College of Mechanical Engineering，

Nanjing University of Science & Technology，Nanjing 210094，China；

3.The No. 73106thTroop of PLA, Huaian 223311, China)

Abstract:Aiming at the problem of low firing stability of large caliber machine gun, a stability control device using the energy of the propellant gas was proposed to reduce the jump of the muzzle. Considering the deformation of the barrel under the force of stability control device, a bracket device was applied to improve stiffness. The machine gun that has been changed was simulated to verify the firing stability of machine gun by using ADAMS and Matlab software based on rigid-flexible coupling and mufti-degree flexible-body dynamics theory. The maximum displacement value of the muzzle is decreased by 46%. The maximum displacement of tripod vibration is decreased by 41%, and the firing stability improves a lot.

Key words:firing stability；machine gun；dynamic simulation；ADAMS

文章編號：1006-0707(2016)01-0040-04

中圖分類號：TJ25

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.009

作者簡介：黃曉(1981—)，女，主要從事機(jī)械設(shè)計研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51375241；51376090)

收稿日期：2015-07-27；修回日期：2015-08-15