弧形三腳架減振效果及射擊精度改善研究

華洪良， 廖振強， 宋　杰， 邱　明， 肖俊波

(南京理工大學 機械工程學院，南京　210094)

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弧形三腳架減振效果及射擊精度改善研究

華洪良， 廖振強， 宋杰， 邱明， 肖俊波

(南京理工大學 機械工程學院，南京210094)

摘要：為研究一種新型弧形三腳架結構對機槍振動抑制以及射擊精度改善情況，基于ADAMS以及相關實驗數據建立了準確的機槍系統剛柔耦合動力學模型。在其余條件一致的情況下，對比了不同槍架在射擊過程中的膛口動力學響應。根據外彈道理論，以及彈頭出膛口擾動，對射擊100 m距離彈頭散布進行了計算。結果表明：膛口的振動主要體現在高低方向上(y軸)，在該方向上膛口位移、速度、射角峰值平均值分別降低了27.8%、25.8%、31.1%左右。弧形三腳架對應的彈頭散布圓半徑R100，R50分別改善了33.6%、23.2%。弧形三腳架結構可有效改善機槍系統射擊精度。

關鍵詞：減振；剛柔耦合動力學；三腳架結構；射擊精度；機槍系統

槍架是機槍的重要組成部分，是考核機槍性能的一個重要因素。在支撐重機槍射擊過程中，槍架的彈性變形過大是影響機槍振動以及射擊精度的主要原因之一。因此，提高槍架結構彎曲剛度減少機槍系統振動，是提高武器射擊精度的主要途徑之一[1]。文獻[2]以某型重機槍三腳架為研究對象，基于網格變形技術并結合Kriging響應面模型以及多目標遺傳優化算法對三腳架架腿進行了多目標形狀優化，得到了軸向剛度、橫向剛度均較高的三角架結構，如圖2。相比初始三腳架結構(圖1)，其特點主要是兩個后架腿由原來的直桿變為兩弧形桿，具體尺寸參數見文獻[2]。

圖1　機槍系統初始三腳架結構Fig.1 Initial tripod structure of machine gun system

為驗證該弧形三腳架結構在機槍發射過程中對膛口振動抑制效果以及機槍射擊精度改善情況，建立機槍系統剛柔耦合動力學模型，獲得機槍射擊過程膛口動力學響應，便可借助外彈道理論預測其射彈散布[3-4]。

圖2　機槍系統弧形三腳架結構Fig.2 Arc tripod structure of machine gun system

1機槍動力學響應

由于機槍發射為一強沖擊過程，受到的載荷激勵幅值較大，會使得槍管、槍架等細長結構產生較大的彈性變形。基于ADAMS軟件，將整槍系統作為剛柔耦合多體系統進行研究，可獲得較好的計算精度[4-6]。

1.1模型簡化與假設

(1) 剛柔耦合計算前首先對機槍模型簡化處理，將無相對運動的部件作為一個運動體，剛度大變形小的部件作為剛體，以減小計算量。發射過程中，剛度小、彈性變形大的零部件作為彈性體考慮。本文將槍管、槍架結構作為彈性體進行建模，具體方法參考文獻[7]。

(2) 抽殼、撥彈機構不進行仿真。抽殼阻力、撥彈阻力等按照文獻[8]的方式，以外力的形式進行等效加載，直至將槍機框速度調整到與試驗曲線[1]吻合，見圖3。

圖3　機框速度Fig.3 Blot frame velocity

(3) 發射過程中，槍架與地面接觸部分的土壤變形采用三組兩兩正交的彈簧阻尼器模型進行等效，彈簧剛度、阻尼系數按照文獻[9]經驗公式有：

(1)

式中:Kh、Kv分別為水平、垂直地面方向等效彈簧剛度；Ch、Cv分別為水平、垂直方向等效阻尼系數；G、ρ分別為土壤彈性模量、密度；r0為駐鋤與土壤接觸部分在軸向、橫向、垂直方向當量接觸半徑；

土壤彈性模量、密度按照文獻[1]進行選取。本文選取的土質為“草地”，土壤密度為1.72 g/cm2，彈性模量為40 kgf/cm2。軸向、橫向、垂直方向r0值分別為34.5 mm，50.5 mm，68.3 mm。則相應參數計算如表1。

表1　彈簧與阻尼器參數

1.2載荷確定

機槍射擊過程中載荷主要包括：槍膛壓力、導氣室壓力、彈簧力、碰撞力。其中槍膛壓力、與導氣室壓力分別參考文獻[10-11]中數學模型，編程求解如圖4：P為槍膛壓力，Pq為導氣室壓力。機槍系統中各彈簧參數：復進簧剛度為0.6 N/mm，預壓力為65 N；槍管簧剛度為68.5 N/mm，預壓力為70 N；制轉卡筍簧剛度為2 N/mm，預壓力為24 N；肩托緩沖器簧剛度為11 N/mm，預壓力為188 N；機頭緩沖器簧剛度為5.17 N/mm，預壓力為159 N；機框緩沖器簧剛度為540 N/mm。

圖4　槍膛壓力與導氣室壓力Fig.4 Bore pressure and gas chamber pressure

1.3動力學模型驗證

通過對比機框后坐開始速度、后坐到位速度、機框復進開始速度、復進到位速度便可驗證模型的正確性[1]。機框后坐開始速度實驗值為9.12 m/s，計算值為9.4 m/s，相對誤差為3.07%；機框后坐到位速度實驗值為4.09 m/s，計算值為3.9 m/s，相對誤差為4.6%；機框復進開始速度實驗值為3.93 m/s，計算值為3.75 m/s，相對誤差為4.6%；機框復進到位速度實驗值為5.2 m/s，計算值為5.24 m/s，相對誤差為0.7%。計算得出的機框速度曲線與試驗曲線[1]對比如圖3，在3.6 s處機框速度實驗曲線變為0，而計算曲線仍在反向增加，是因為實驗測機框速度采用3連發，本文為了后續比較兩種槍架對應的射擊精度計算20發，二者其余部分基本吻合，該模型滿足分析要求。

1.4動力學響應計算結果及分析

圖5(Dx)、圖6(Dy)分別為機槍膛口位置沿x,y軸振動幅值；圖7(Vx)、圖8(Vy)分別為膛口位置沿x,y軸振動速度；圖9(Tx)、圖10(Ty)分別為膛口位置繞x,y軸振動傾角。可以看出優化得出的弧形三腳架結構在射擊過程中膛口高低方向動力學響應Dy、Vy、Tx的峰值平均值分別降低了27.8%、25.8%、31.1%左右，對膛口振動有一定的抑制作用。雖然橫向響應Dx、Vx、Ty有所放大，但是相對于高低方向響應十分微小，其影響可不與考慮，后續外彈道計算可說明這一點。

圖5 膛口x方向位移Fig.5Muzzledisplacementinx-direction圖6 膛口y方向位移Fig.6Muzzledisplacementiny-direction圖7 膛口x方向速度Fig.7Muzzlevelocityinx-direction

圖8 膛口y方向速度Fig.8Muzzlevelocityiny-direction圖9 膛口繞x軸傾角Fig.9Muzzlerotationanglearoundxaxis圖10 膛口繞y軸傾角Fig.10Muzzlerotationanglearoundyaxis

2射擊精度計算

根據彈頭出膛口瞬間膛口擾動便可根據外彈道理論算得機槍射彈散布。根據文獻[11]，外彈道模型為：

(2)

式中:x,y,S分別為彈頭在x,y,z軸方向位移分量；v1、v2、u分別為彈頭在x,y,z軸方向速度分量；g為重力加速度；C為彈道系數；H(y)為空氣密度函數；G(v)為彈頭與空氣相對運動特性。

外彈道初始條件為：

(3)

式中:v0為彈頭出膛口速度，由內彈道計算得825 m/s；Dx0、Dy0分別為彈頭出膛口瞬時x,y方向位移擾動量；Vx0、Vy0分別為彈頭出膛口瞬時x,y方向速度擾動量；Tx0、Ty0分別為彈頭出膛口瞬時繞x,y軸角度擾動量。Dx0、Dy0、Vx0、Vy0、Tx0、Ty0根據計算得出的彈頭出膛口時間分別從圖5～10提取得到，限于文章篇幅取十組值列于表2。

圖11(左)為外彈道計算得出的初始三腳架結構對應散布圓，圖11(右)為弧形三腳架結構對應散布圓。其中，大圓半徑為R100，小圓半徑為R50。可以看出，機槍射擊精度差主要是因為彈頭在高低方向散布過大，雖然彈頭在水平方向散布略有放大，但相對高低方向散布而言較小，弧形三腳架結構對應的散布精度整體上有所改善。初始三腳架結構對應的R100=0.246 m，R50=0.078 m，對應的實驗值[1]分別為0.256 m、0.08 m，則相對誤差分別為4.1%、3.1%，可見外彈道計算結果與實驗值吻合較好，說明外彈道計算可靠的同時，也表明剛柔耦合數據(外彈道邊界條件)可信。弧形三腳架結構對應的R100=0.163 m，R50=0.060 m，相比初始三腳架結構R100、R50分別改善了33.6%、23.2%。

圖11　彈頭散布比較Fig.11 Comparison of bullets dispersion

彈序Dx0×10-3/mm初始優化Dy0×10-3/mm初始優化Vx0×10-2/(m·s-1)初始優化Vy0×10-1/(m·s-1)初始優化Tx0×10-2/(°)初始優化Ty0×10-1/(°)初始優化10.09-0.091.140.820.750.540.410.210.070.011.110.8620.200.200.730.371.842.842.341.071.950.660.190.0130.290.326.071.662.464.826.160.812.382.503.211.1540.410.430.180.028.201.517.440.752.141.900.810.5550.520.534.582.673.811.935.394.881.901.062.420.8660.630.640.310.190.951.225.803.032.593.730.370.6270.750.753.852.518.423.176.402.470.912.832.160.9780.970.983.001.600.991.906.791.341.440.191.800.47?????????????192.102.112.311.924.902.105.603.000.810.441.741.42202.212.221.400.942.601.695.971.220.641.320.790.28

3結論

(1) 在其余條件一致的情況下，將槍架作為彈性體考慮，對比了不同槍架在射擊過程中的膛口響應。結果表明：膛口的振動主要體現在高低方向上(y軸)，在該方向上膛口位移、速度、傾角峰值平均值分別減少了27.8%、25.8%、31.1%左右。弧形三腳架對膛口振動有一定的抑制作用。

(2) 相比初始三腳架，弧形三腳架結構對機槍射擊精度有一定改善。外彈道計算表明：弧形三腳架對應的散布圓半徑R100，R50分別改善33.6%、23.2%。

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Vibration reduction performance of an arc tripod structure for firing accuracy improvement

HUAHong-liang,LIAOZhen-qiang,SONGJie,QIUMing,XIAOJun-bo

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order to study vibration reduction performance of a new type of arc tripod structure for firing accuracy improvement, an accurate rigid-flexible coupled multi-body model of a machine gun system was established based on ADAMS software and related experimental data. The muzzle dynamic responses of the machine gun system with different tripod structures were compared under the same conditions. Based on the exterior ballistic theory and its boundary conditions, the bullet head dispersions were obtained with a firing distance of 100 meters. The results showed that the muzzle vibrations mainly occur in the vertical direction (y axis); in this direction, the peak averages of displacement, velocity and firing angle decrease by about 27.8%, 25.8% and 31.1%, respectively with the new arc tripod structure; the radii of circles with 100% and 50% bullet head scatters by 33.6% and 23.2%, respectively; so the new arc tripod structure can effectively improve the firing accuracy of the machine gun system.

Key words:vibration reduction; rigid-flexible coupled dynamics; tripod structure; firing accuracy; machine gun system

中圖分類號:TH212；TH213.3

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.04.010

通信作者廖振強 男，教授，博士生導師，1950年10月生

收稿日期：2014-11-12修改稿收到日期：2015-03-05

基金項目：國家自然科學基金(51375241;51376090)

第一作者 華洪良 男，博士生，1990年10月生