機槍沖擊作用下的人體動力學響應研究

張本軍， 王瑞林， 鄭立評， 李永建

(軍械工程學院， 石家莊 050003)

機槍沖擊作用下的人體動力學響應研究

張本軍， 王瑞林， 鄭立評， 李永建

(軍械工程學院， 石家莊 050003)

機槍沖擊作用下的人體響應是機槍人機工效的重要組成部分，需進行研究；利用人體運動學軟件和ADAMS建立多剛體人體的機槍人槍系統模型；為得到驗證所需數據，進行了射擊時槍口點響應試驗；通過對自動機和槍口點響應的校核，驗證了模型的可信性；通過對人槍接觸位置和人體關節響應的分析，得到了一些列的結論，這些結論可以為機槍結構設計和改進提供指導，也可為人槍相互作用分析提供參考。所使用的建模方法和思路，則為其他武器進行人機相互作用分析提供了新途徑。

機槍； 人槍系統； 多剛體； 動力學響應； 仿真

人槍之間相互作用的分析是槍械人機工效分析的最重要組成部分，是發揮槍械最大效能以及提高戰斗力的有效途徑。在國內，包建東等[1]利用高速攝影實驗和Hanavan人體模型，通過等效質量、等效彈簧阻尼研究步槍立姿無依托射擊狀態下的人槍系統Lagrangian方程；王亞平等[2]利用ADAMS建立了多剛體的步槍立姿射擊人槍系統模型，研究了發射過程中人體受力狀況；洪亞軍等[3]借鑒該模型，研究了榴彈發射器多學科優化的問題；王長庚等[4]將人體等效成質量塊，人槍之間等效成彈簧阻尼，研究了步槍立姿射擊時導氣式和自由槍機式兩種后坐方式對后坐作用的影響；姚建軍等[5-7]將人體簡化為集總參數，分別研究了機槍槍口點響應、機槍結構參數對槍口點響應影響以及轉管機槍槍口點效應的問題；楊曉玉等[8]則利用LifeMod和ADAMS建立了手槍立姿射擊模型，研究手槍發射問題。在國外，能夠查閱到的文獻較少，Hall等[9]為研究不同生產廠商的彈藥、槍型對射擊比賽用步槍后坐力的影響，研制了一套測量比賽用槍后坐力的裝置；Lee等[10-12]利用LifeMod軟件分析了K2步槍射擊時載荷在身體的傳動途徑。總的說來，目前人槍相互作用的研究更注重于人對槍械射擊精度影響的研究，占到能查到文獻的85%以上，而對槍械射擊過程中對人體的沖擊情況的研究主要集中在立姿射擊武器上，極少出現在機槍研究的領域。

實際上，人對槍械精度的影響體現了槍對人的適應性，而槍械對人體沖擊作用則體現了人對槍械的適應性，兩者是不可分割的，都是槍械人機工效分析的重要組成部分，因此，需要分析槍械對人體的沖擊作用。基于此，本文利用人體運動學軟件和ADAMS建立某型通用機槍的多剛體人槍系統模型，通過仿真，計算機槍沖擊作用下的人體動力學響應，以期得到有益于槍械結構改進和設計的結論，同時，也希望得到一個用于槍械人槍相互作用分析的方法，將射擊過程中槍對人體沖擊的研究擴展到機槍領域。

1 人槍系統模型的建立

1.1 機槍發射系統模型

機槍發射系統模型如圖1所示，機槍射擊時，架在槍架上，與上架固結，通過前后架腿的彈性變形吸收部分后坐能量，前后架腿與駐鋤固結，駐鋤插在土壤中，與地面之間發生相互作用(圖1中A所示)；機槍的槍托(槍托固結在機匣上)抵在人體肩部，握把(握把固結在機匣上)被射手右手緊握，后架腿被射手緊握，在這三處與人體之間發生相互作用，(圖1中B所示)；人體采用臥姿射擊方式，與地面發生相互作用，(圖1中C所示)。

圖1 機槍發射系統模型

射擊過程中，發射藥爆燃產生高溫高壓火藥氣體推動彈丸向前運動，開始階段，槍機與槍管配合閉鎖槍膛，防止火藥氣體向后噴出，火藥氣體產生的槍膛合力Fpt作用在機匣上；當彈丸飛過導氣孔后，火藥燃氣進入導氣室，向后產生氣室壓力Fc帶動槍擊框沿機匣導軌向后運動，運動一段距離后，通過開閉鎖曲線槽帶動槍機開鎖及向后運動，在此過程中壓縮復進簧儲存復進能量；與此同時，進入導氣室的火藥燃氣向前作用，產生氣室壓力反力Ff作用于槍管；后坐結束后，在復進簧的作用下開始復進，推彈進膛重復動作；整個運動過程中，均有各種阻力的作用，等效為阻力Fr。

1.2 人槍系統模型建立

人槍系統模型是人槍相互作用分析的基礎，目前用于人槍相互作用分析人體模型主要有三種類型，第一種是集總參數模型，將人體簡化成彈簧質量阻尼系統[13-15]，主要研究人體對槍械射擊精度的影響，多用于機槍系統；第二種是依據多剛體理論建立多剛體人體模型，依據質量等效的原則將人體各部位簡化為球體、橢球體、圓錐體等簡單形狀，但對肌肉、關節、軟組織的處理比較粗糙[16-17]；第三種類型是利用人體運動學仿真軟件建立人體，但多用于立姿射擊武器，能查到的文獻較少。

本文利用人體運動學仿真軟件LifeMod建立多剛體人體模型，它可以通過給定人體的性別、身高、體重及年齡自動計算人體各部分的幾何屬性和質量屬性。本文依據“陸軍裝備人體特征參數需求分析及數據研究”課題的測量數據統計結果，選定我國男性士兵的身高、體重以及年齡的平均值(身高1 709 mm，體重64 kg，年齡21歲)作為輸入，建立包含頭部、頸部、軀干上部、軀干中部、軀干下部、左右肩胛、左右大臂、左右小臂、左右手、左右大腿、左右小腿和左右腳這19個剛體的人體模型。關節選用LifeMod中基于對真實的碰撞假人的物理測量建立的Hybrid Ⅲ關節類型[18]，該類型關節包含非線性剛度系數、阻尼和摩擦力，包含有滯后作用的阻止關節運動的剛度系數，建立的人體系統模型如圖2所示。

圖2 人體模型

機槍系統是利用ADAMS建立的剛柔耦合動力學模型，為考慮槍架和槍管的彈性變形對射擊精度的影響，模型中前、后架腿和槍管利用ANSYS進行了柔性化處理。

為得到射手射擊時初始姿態，利用射手已知信息構建完整約束進行求解，其主要過程是：將建立好的人體模型平放到地面上，鉛垂軸的方向平行于槍管軸線方向。則此時右肩胛、右手、左手和頭部的廣義坐標可以求得為

(1)

在射手準備射擊時，人體肩部、右手、左手、頭部這四個部位的位置和方向均為確定的(這些確定位置即為提到的已知信息)，則可以得到此時這四個剛體的廣義坐標為

(2)

分別對這四個剛體添加完整約束

(3)

將人體初始姿態賦予模型；駐鋤與地面之間采用等效的彈簧阻尼系統模擬；機槍可以相對于人體在三個方向發生轉動，因此在抵肩點處用球副來表征機匣組件與右肩胛之間的關系；在左手和右手處，由于握緊的關系，可用ADAMS中剛度系數和阻尼系數均很大的襯套力單元來完成人體模型和槍械模型的連接；人體與地面之間為接觸副；得到的人槍系統模型如圖3所示。

圖3 臥姿射擊時人槍系統模型

2 機槍射擊時槍口點響應試驗

為驗證所建立人槍系統的可信性，需要對模型進行校核，在以往輕武器虛擬樣機驗證上，一般只對自動機的情況進行驗證，本文則對自動機和槍口點響應兩個方面進行了驗證。自動機數據可以通過查找該通用機槍設計定型文件獲得。槍口點響應數據則需要通過測試得到。

試驗的測試系統由兩個電渦流傳感器、信號放大器、磁帶記錄儀和計算機組成，設備之間的連接關系如圖4所示。兩個電渦流傳感器測試的分別是槍口的縱向位移響應和橫向位移響應。這里規定：槍口的縱向位移是指射擊過程中槍口點上下方向的振動位移，以向上的方向為正；橫向位移是指射擊過程中槍口點左右方向的位移，以向右的方向為正。

圖4 測試系統示意圖

槍口點響應試驗的外部條件為：

(1) 試驗場地，室內靶場射擊過程中受環境條件影響較小；

(2) 土壤條件，機槍架設在三個土箱子中，土箱子在試驗的前一天灑過水，土壤表現為較強的彈性特性；

(3) 射擊姿勢，如圖5所示。

圖5 試驗現場照片

3 人槍系統模型的校核

對所建立的模型添加主動力即可進行仿真計算，這些主動力包括槍膛合力、氣室壓力、抽殼阻力以及彈帶阻力[19]。分別進行單發和三連發計算，得到相應的仿真結果，用于與試驗數據進行比較。計算的起始時刻是自動機處于待發狀態。

3.1 自動機校核

對機槍進行三連發的計算，可以得到自動機的運動速度，與試驗數據相比較，結果如表1所示。

表1 計算結果與試驗結果比較表

由表1可知，三連發時自動機的最大后坐速度與試驗的平均值的相對誤差分別為4.03%、4.62%和3.55%，后坐到位時的速度與試驗平均值的相對誤差分別為2.33%、4.00%和1.67%，復進到位時的速度與試驗平均值的相對誤差分別為3.02%、4.54%和3.60%。可以看出，自動機的運動速度與試驗結果在特征點處吻合的比較好。

3.2 槍口點響應校核

提取槍口點響應仿真結果，與試驗結果進行對比，由于篇幅所限，這里僅比較單發射擊時縱向位移，如圖6所示。

由于在試驗的過程中，影響的因素太多，且多為隨機因素，而在模型中僅僅考慮的是一種理想的狀況，因此想要得到與機槍試驗結果完全一致的結果是不可能的，只要所得結果大體反映機槍的運動規律、數值不發生數量級的差距就可以認為所建模型是可信的。

由圖6可知，槍口點縱向位移響應的運動規律基本上是相同的，數值相差也較小。試驗曲線中1處之前的波峰波谷是在聽到開始的口令后，握緊以及抵緊槍械產生的，這在計算過程中是沒有考慮的，所以計算曲線上沒有這個波峰、波谷；1處是火藥氣體壓力作用于機槍，使得機槍向上跳動產生的波峰；2處是氣室壓力反力作用于機槍，在抑制槍膛合力產生向上的跳動后產生的波谷；3處是自動機后坐到位撞擊機匣，使得機槍向上跳動產生的波峰，且均為最大的波峰；4是自動機再次復進到位后，碰撞機匣，使得機槍上下跳動產生的波谷；2、3之間的波峰波谷是自動機后坐過程中槍架自由振動產生的；3、4之間的波峰波谷為自動機復進過程中自由振動產生的。

(a)

(b)

通過自動機校核和槍口點響應校核可以認為，建立的人槍系統模型是滿足工程計算需要，是可信的，可以用于機槍沖擊作用下人體動力學響應研究。

4 機槍沖擊作用下人體動力學響應分析

在驗證模型的基礎上，可以通過仿真求得機槍射擊過程中人體的響應狀況，這些響應包括：人體與機槍接觸部位的力的大小；人體各關節轉過的角度、所受力的大小以及所受力矩的大小；人體各段肢體運動的位移、速度、加速度等。對于機槍的設計而言，人體與機槍接觸部位的力的大小是設計者比較關心的問題之一，所以本文將這些接觸部位所受力的大小予以列出。在人體各部位上，有多個響應的值是人們比較關心的問題，其中頭部關節、胸部關節以及腰部關節的受力狀況是人槍相互作用時槍械對人體作用的典型代表。

4.1 人槍接觸位置處人體受力響應

利用ADAMS自身的后處理器提取出右手與握把之間力的大小，如圖7所示。

提取左手與機槍后架之間力的大小，結果如圖8所示；提出槍托與右肩胛之間約束力大小，結果如圖9所示。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

由圖8～圖9可知：

(1) 在機槍三連發的射擊過程中，在各個時刻點，三個接觸位置均有力的作用，在槍膛合力作用、氣室壓力反力作用和后坐到位碰撞時刻變化幅值較大，其他時刻則是伴隨著機槍自由振動而受力；

(2) 機槍復進到位后的一小段時間內，各接觸位置所受到的幅值變化劇烈，這時由于在這一段時間內機槍所受外載荷大小方向急劇變化造成的；

(3) 機槍射擊過程中，抵肩處所受到的力最大，特別是x方向的受力，這是由于機槍槍尾沒有緩沖裝置，致使機槍所受載荷直接作用于身體造成的，所以在大口徑機槍的設計過程中需增加槍尾緩沖裝置以提高射手射擊舒適性；

(a)

(b)

(c)

(4) 各接觸部位均在子彈被擊發后，槍膛合力達到最大值的時刻達到最大值的時刻達到最大值，且數值較大，特別是抵肩力的數值，相對于槍膛合力沒有減少多少，說明彈性槍架在減小機槍射擊過程中對人體的沖擊上作用有限，這就需要在大口徑機槍設計過程中，不能僅僅考慮彈性槍架這一種吸收后坐能量的方式，還需要考慮其他反后坐方式；

(5) 抵肩力在自動機后坐到位時幅值同樣較大，從圖4中可以得到，后坐到位的碰撞對槍口點的振動同樣影響較大，說明后坐到位的碰撞不僅影響槍口點的振動進而影響射擊精度，還影響射手射擊的舒適性，因此，在設計槍械的過程中，應將后坐到位的速度定位一個設計指標，以便減小后坐到位的速度，同時可以增加自動機后坐緩沖裝置。

4.2 人體關節受力響應

利用Lifemod的后處理模塊提取出頭部關節、胸部關節和腰部關節的受力情況，結果分別如圖10～圖12所示。需要說明的是，LifeMod后處理器中提取人體關節數據時使用的是各關節的局部坐標系，即研究人體所使用的冠狀軸、鉛垂軸和矢狀軸組成的坐標系，其中，冠狀軸是過關節中心點并垂直于將身體分為左右兩部分的平面的軸；鉛垂軸是過關節中心點并垂直于將身體分為上下兩部分的平面的軸；矢狀軸是過關節中心點并垂直于將身體分為前后兩部分的平面的軸。

這個坐標系并不與整體坐標系相平行，兩者之間有一定的夾角，且這個夾角值在計算過程中隨著人體各關節運動的變化而不斷地變化。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

由圖10～圖11可知：

(1) 在機槍三連發的射擊過程中，在各個時刻點，各關節均有力的作用，在槍膛合力作用、氣室壓力反力作用和后坐到位碰撞時刻變化幅值較大，其他時刻則是伴隨著機槍自由振動而受力；

(2) 身體各關節達到極值的時間并不同步，在所列出的三個受力關節中，胸部關節最先達到極值，而頭部節點和腰部節點達到極值的時間相對滯后一點，這說明載荷在身體內部是傳播的，距機槍越近的關節越早達到極值點；

(3) 身體各關節達到最大值的時刻在機槍第一次后坐到位后一小段時間內，而人槍接觸點位置達到最大值的時刻是在第三發子彈被擊發后的一小段時間內，這說明人身體響應的最大值與接觸點的最大值并不同步，因而利用人槍接觸點位置處的響應代替身體的響應的分析是有一定偏差的。

(a)

(b)

(c)

5 結 論

本文利用LifeMod和ADAMS建立了機槍系統多剛體人體的人槍系統模型；為得到驗證所需槍口點響應數據，進行了射擊時槍口點響應試驗；通過對自動機及槍口點響應的校核，驗證了所建模型的可信性；通過對接觸位置處的分析，得到大口徑機槍在設計過程中需要增加抵肩緩沖裝置、反后坐方式和自動機后坐到位緩沖器等結論；通過對人體關節響應的分析，得到人體各關節達到極值不同步的結論，同時得到用接觸點處響應代替人體響應來分析人槍相互作用存在偏差的結論。這些結論可以為機槍結構設計和改進提供指導，也可為人槍相互作用分析提供參考。所使用的建模方法和思路，則為其他武器進行人機相互作用分析提供了新途徑。

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Dynamic response of human body under impact of machine gun

ZHANG Benjun, WANG Ruilin, ZHENG Liping, LI Yongjian

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Dynamic response of human body under impact of machine gun should be studied because it is an important part of human-gun ergonomics of machine gun. Human-gun system model including a multi-rigid-body human body model was built by using the kinesiology software and ADAMS. The tests for its muzzle’s response during a machine gun firing were conducted to get the test data for verifying the human-gun system model. The credibility of the model was verified by comparing the test data of the muzzle’s response and the simulation results of the automatic mechanism. Some conclusions were drawn by analyzing responses of the human-gun contact position and the human body joints. It was shown that these conclusions can provide a guidance for machine gun structure design and improvement; these conclusions also can provide a reference for analyzing the interaction between human and gun. A new way for human-machine interaction analysis of other weapons was provided with the proposed modeling method and idea.

machine gun; human-gun system model; multi-rigid-body; dynamic response; simulation

2015-12-01 修改稿收到日期：2016-03-02

張本軍 男，博士生，1984年生

鄭立評 男，博士，教授，1963年生

TJ201

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.09.029