基于虛擬樣機的機槍結構參數對射擊精度的影響研究

劉衛明,許 云,張前圖

(駐356廠軍代室，昆明 650114)

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【裝備理論與裝備技術】

基于虛擬樣機的機槍結構參數對射擊精度的影響研究

劉衛明,許 云,張前圖

(駐356廠軍代室，昆明 650114)

利用Pro/E和ADAMS建立了某型通用機槍的虛擬樣機模型并進行了校驗；通過仿真的手段得到機槍各結構參數以及邊界條件對機槍射擊精度的影響規律，提出提高機槍射擊精度的改進措施；通過實物樣機對仿真結果進行了驗證；為提高機槍射擊精度方面的研究提供了新的思路和方法。

虛擬樣機；通用機槍；結構參數；射擊精度

射擊精度作為機槍的重要戰技指標，其好壞直接影響著機槍戰斗威力的高低。通過對機槍射擊時各結構參數變化對射擊精度影響規律的研究，對于提高機槍射擊精度和減輕全槍重量具有重要意義。隨著計算機技術的發展，虛擬樣機技術在武器裝備設計、研制以及優化中所具有的優勢也越來越突出[1-4]。本文將虛擬樣機技術引入通用機槍射擊精度分析中，通過Pre/E[5-6]和ADAMS[7-8]建立了通用機槍的虛擬樣機，以機槍連發時槍口位移動態響應為依據，綜合研究了機槍各結構參數對機槍射擊精度的影響，并通過實物樣機對仿真結果進行驗證，研究提供了新的思路。

1 射擊精度影響因素與評價指標

槍械的射擊精度是指彈頭命中目標的精確程度，它包括射擊準確度和射擊密集度兩個方面[9]。在進行機槍設計和結構優化時，總是力求達到最佳的射擊準確度和射擊密集度。從機槍本身動力學分析的角度來分析影響機槍射擊精度的因素時，認為其主要包括外部因素和內部因素[10]。外部因素主要包括射手素質和武器的使用陣地及環境等。而內部因素主要是指機槍的主要結構參數能否達到最佳匹配，取得最佳的射擊效果。主要體現在駐鋤形狀、槍架剛度、槍架阻尼、復進簧剛度、槍管與機匣的結合的緊固度、自動機后坐到位時的撞擊剛度、自動機后坐到位時的撞擊阻尼、槍機框復進到位時撞擊面對稱度、自動機主動件與從動件的質量比等9個方面。機槍的射擊精度是以上各結構參數綜合作用的結果。具體來說，外部影響因素與機槍射擊時的具體使用環境有關，對于機槍設計和結構優化關系不大。而武器本身結構參數能否最佳匹配以取得最優的射擊效果，正是武器設計人員關心的焦點，也是本文仿真研究的重點。

衡量機槍射擊精度最直接的方法是看彈丸的彈頭散布圖。高度和方向散布都能達到精度要求的射擊精度肯定高。但是在虛擬樣機進行的仿真實驗中，并不能在ADAMS中直接計算得到彈著散布圖，因此要衡量機槍的射擊精度還必須另辟蹊徑。由外彈道學可知，當機槍本身的結構參數確定之后，影響機槍射擊精度的因素主要有初始擾動、彈丸加工誤差、裝藥誤差以及氣象條件等。一般而言，槍口初始擾動與機槍身管的振動和其他部件的合成運動有關，是機槍系統結構本身主運動引起的小擾動。衡量槍口初始擾動的主要指標是彈丸出槍口瞬間的線速度和角速度。其中線速度包括垂直線速度和側向線速度，角速度包括俯仰角速度和回轉角速度。所以以上述4個參量作為目標函數對結構參數進行單因素影響分析。本文以機槍五連發時的射擊動力學響應為依據，獲得彈丸出槍口瞬間槍口的初始擾動，以槍口初始擾動的均值衡量射擊準確度，以方差衡量射擊密集度，分析各結構參數對機槍射擊精度的影響規律。

2 虛擬樣機的建立與校驗

機槍零部件三維實體模型的構建是虛擬樣機建立的基礎，在實踐中，依據設計圖紙，在Pro/E環境下建立了機槍系統各零部件的三維實體模型，并對各零部件進行組裝，形成各級子裝配后再最后完成總裝配。機槍系統的實體模型在Pro/E中創建好后，需要利用Mechanism/Pro模塊把模型文件導入到ADAMS軟件中。根據建立的動力學模型，在Mechanism/Pro中，對實體模型中的裝配關系進行適當調整，把機槍簡化成若干個剛體。需要注意的是，由于機槍下架的3個架桿比較長而且細，屬于彈性槍架，如果僅僅把下架當成一個剛體，顯然仿真精度是不能達到要求的。為此，本文采用有限分段法把下架的3個架桿各自劃分為兩段，其上面一段與下架合并形成一個剛體，而將它們下一段與駐鋤合并各自作為一個獨立的剛體，以這種方式來模擬槍架的彈性。為了后續工作的方便，可以在某些關鍵點上提前建立Marker，作為提示標記。完成上述工作后，利用Pro/M菜單下的自動生成剛體命令生成剛體并導入ADAMS中建立機槍系統的虛擬樣機模型。

對于機槍各零部件之間的約束關系，可結合各零部件之間的運動關系進行設置。考慮在實際射擊過程中，駐鋤與土壤之間的結合比較結實可靠，駐鋤的水平運動被限制，可以認為在水平面上駐鋤與地面沒有相對運動，這樣就可以將駐鋤與緊貼其上的土壤在水平方向上的自由度耦合起來，把土壤在水平面內對駐鋤的作用簡化為兩個彈簧阻尼器的作用。射擊過程中，駐鋤還可能上下跳動，駐鋤豎直向下運動時擠壓地面，豎直向上運動時如果忽略土壤的摩擦作用可以認為不受土壤約束，這樣在豎直方向上土壤對駐鋤只起到單方面約束，本文通過自定義一個彈簧阻尼器實現這個約束關系。在機槍發射系統中，人體的作用相當于在機槍的尾端增加了約束或慣性，從而對系統的性能產生一定的影響。因此，人體的作用完全可以通過一個施加在機槍尾端的集總參數模型來替代。在射擊過程中，本文忽略人體各部位相對運動的影響，認為抵肩力始終作用在槍托上，在此基礎上，將人體對機槍的作用力簡化為3個方向上的作用，每個方向上均用一個彈簧阻尼器來代替。

經過以上步驟，機槍系統虛擬樣機基本建立完畢。在開始仿真分析之前，還應該對樣機模型進行最后的檢驗，排除建模過程中隱含的錯誤，保證仿真分析順利進行。本文在以下3個方面對虛擬樣機進行驗證，以確保所建立的虛擬樣機與理論模型和實際模型的一致性。

1) 建模環境的檢查。由于在建模過程中用到了Pro/E和ADAMS兩個不同的軟件，因此檢驗樣機的第一步是檢查這兩個軟件內部各項參數的設置是不是完全一致，在建模時兩套軟件要使用同樣的長度、質量和時間單位。保證在正確的環境下完成樣機的建立過程。

2) 樣機質量的檢查。樣機的質量是在Pro/E中通過賦予實體密度后自動生成的。因此質量的檢查主要包括兩個方面：一是檢查各零件的密度是否與零件圖保持一致；二是檢查各剛體的質量是否與實測結果保持一致。

3) ADAMS自檢工具檢驗。ADAMS自帶的自檢工具“Model Verify”，可以檢查樣機中是否有不恰當的連接和約束、是否存在沒有約束的構件以及檢查樣機的自由度等。“Model Verify”自檢的結果顯示系統除了存在3個冗余約束外，其他正常。但這并不影響樣機的分析。這說明模型在建立過程不存在錯誤。

3 各結構參數對射擊精度的影響規律仿真

利用所建立的虛擬樣機模型，改變各結構參數分別對機槍五連發射擊過程進行仿真實驗，可以得到各結構參數對機槍射擊精度的影響規律。圖1～圖8是以槍架前腿剛度為例，分析結構參數對穩定性的影響。

圖1 前腿剛度對橫向跳動速度均值的影響

圖2 前腿剛度對縱向跳動速度均值的影響

圖3 前腿剛度對俯仰角速度均值的影響

圖4 前腿剛度對回轉角速度均值的影響

圖5 前腿剛度對橫向跳動速度方差的影響

圖6 前腿剛度對縱向跳動速度方差的影響

圖7 前腿剛度對俯仰角速度方差的影響

圖8 前腿剛度對回轉角速度均值的影響

從以上各圖的曲線可以看出：前腿的彈性模量宜在2.5×105N/mm2左右，此時無論是槍口跳動的均值還是方差，都較小，也即是此時機槍具有較好的射擊精度。因此，應該適當加大機槍前腿的剛度。

通過對其他結構參數進行仿真實驗，還可以得到如下結論：

1) 后腿剛度對機槍射擊精度的影響比較復雜，其彈性模量宜在2×105～2.5×105N/mm2為宜，但其彈性模量的取值還有待于進一步研究，從總體上看，后腿剛度應略小于前腿剛度是肯定的。

2) 復進簧剛度在0.49～0.51 N/mm時，除了縱向跳動速度均值之外，其余指標均在0.5 N/mm左右，達到最小。為提高射擊精度，建議適當降低機槍復進簧剛度。

3) 減少后坐部分的質量偏心，盡量保持后坐部分的質心在槍身對稱平面上，有利于降低機槍槍口的橫向位移響應的均值和方差，也即有利于提高射擊精度。

4) 對于射擊密集度而言，適當的自動機后座到位撞擊阻尼對于降低射彈散布有著比較重要的意義。

5) 槍口位移響應對自動機后坐到位的撞擊剛度影響不敏感。

6) 加強訓練，提高機槍射擊時架槍和射手持槍的穩固性，有利于提高機槍的射擊精度。

4 實物樣機驗證

為了驗證虛擬樣機的仿真結果，通過對實物樣機進行相應改進，分組進行實彈射擊試驗。由于槍架阻尼、自動機后坐到位時的撞擊剛度和撞擊阻尼、槍機框復進到位時撞擊面是否對稱等因素對射擊精度的影響較為復雜且實物樣機改進難度較大，因此只對駐鋤形狀、槍架剛度、復進簧剛度、槍管與機匣結合的緊固程度、自動機主動件和從動件的質量比等因素進行了實物樣機驗證。這里以槍架剛度和復進簧剛度的驗證進行說明。

按照重機槍的前腿剛度的模擬結果對該通用機槍的兩個前腿剛度進行了加強，將前腿的材料由45鋼調整為50Z鋼，尺寸由0.8 mm調整為1 mm，保持后腿剛度不變。將兩種剛度的下架配合上同一個槍身，分別實彈射擊5組5～8發短點射，對比其射擊準確度和70%密集度，結果如表1所示，從中可以看出，前腿剛度的提高確實有利于提高機槍的射擊精度。

對通用機槍復進簧剛度進行了分組試驗，在不改變其他條件的情況下，分別選用剛度為0.48、0.50、0.52、0.54 N/mm的四種復進簧進行射擊準確度和70%密集度對比實驗，結果如表2所示，從中可以看出，當機槍復進簧剛度在0.5 N/mm時，機槍的射擊準確度和70%密集度都是最好的。

表1 不同剛度的前腿機槍實彈射擊準確度和密集度

表2 不同剛度的復進簧機槍實彈射擊準確度和70%密集度

除此之外，通過實彈射擊試驗還發現：滑移式駐鋤明顯有助于提高機槍的射擊精度；槍管與機匣之間的軸向間隙在0.03～0.2 mm射擊精度變化不明顯，而當間隙達到0.5 mm時，精度明顯變大，當間隙繼續增大時，精度又呈下降趨勢，其實彈射擊結果和仿真結果相同，可見合理調整槍管與機匣的配合間隙，有益于提高機槍的射擊精度；改變槍機框和槍機之間的質量比，對射擊精度的影響比較復雜，有待進一步的研究。

5 結束語

本文通過建立通用機槍的虛擬樣機研究機槍結構參數對射擊精度的影響規律，以連發射擊時機槍槍口廣義位移為依據，分析了各結構參數對射擊精度的影響，提出了相應的改進意見。根據虛擬樣機的仿真結果，對實物樣機進行了相應的改進，實物樣機的實彈射擊結果驗證了仿真結果的有效性。

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(責任編輯 周江川)

Research on Influence of Structure Parameters on Firing Accuracy of Machine Gun Based on Virtual Prototype

LIU Wei-ming, XU Yun, ZHANG Qian-tu

(Military Representative Office of 356 Factory, Kunming 650114, China)

Virtual prototypes of the dual-purpose machine gun were established by means of Pro/E and ADAMS and its effectiveness was verified. The influences of the structure parameters and the boundary condition on firing stability were obtained by simulation. Some suggestions used for improving firing accurracy were given. The simulation results were verified by physical prototype. The research of this paper provides new idea and method for research on improving firing accuracy of machine gun.

virtual prototype; dual-purpose machine gun; structure parameter; firing accuracy

2016-05-18；

2016-06-15

劉衛明(1975—)，男，工程師，主要從事輕武器工程技術研究。

10.11809/scbgxb2016.10.010

劉衛明,許云,張前圖.基于虛擬樣機的機槍結構參數對射擊精度的影響研究[J].兵器裝備工程學報，2016(10):47-50.

format:LIU Wei-ming, XU Yun, ZHANG Qian-tu.Research on Influence of Structure Parameters on Firing Accuracy of Machine Gun Based on Virtual Prototype[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):47-50.

TJ24

A

2096-2304(2016)10-0047-05