基于有限元技術的模擬后坐力影響因素分析

朱高貴 陸星宇

（南京模擬技術研究所，江蘇南京210016）

0 引言

在靶場訓練產品中，模擬武器是客戶感受和體驗的最直觀的產品之一，其功效的優良對系統產品的品質有著重要的影響。現有市場上的模擬武器產品在外形、重量及操控等方面的研究已較為成熟，但對于其后坐力的模擬是一直是仿真武器研制過程中的難點與瓶頸。

本文針對后坐力的模擬問題，以某型仿真武器為研究對象，對其工作過程進行數學/力學模型的建立[1-2]，在設計上給予理論支撐；此外，依托有限元動力學分析技術[3]，對影響其后坐力的主要因素進行分析和優化，為后續設計提供控制指標，填補國內設計空白。

1 后坐力理論分析

模擬后坐力給受訓人員的真實感覺來自于高壓氣體瞬間釋放引起的機座高速運動撞擊擊錘形成的能量轉化及在復位簧的作用下實現機座的往復運動，如圖1所示。

圖1 模擬后坐力模型

假設機座、橋架、活塞的質量和為m，最大速度為v，氣瓶內氣體壓力為P0，氣缸內氣體壓力為P，外部大氣壓為Pex，氣缸橫截面積為S，摩擦力大小為Ff（此處為多個摩擦力的合力，如活塞與氣缸之間、機座與支架之間等），活塞初始位置至泄氣位置長度為lA，所需時間為Δt1，活塞泄氣位置至行程最大位置為lB，所需時間為Δt2，總行程為l，所需總時間為Δt，彈簧剛度為k（此處為多個彈簧的等效剛度），則其最大動能可以表示為：

即：

當活塞移動至泄氣位置后，氣缸內壓力急劇下降（氣缸內氣體仍對活塞做功），隨后動能克服摩擦力轉化為彈簧的勢能：

即：

總體來看，氣缸氣體做功在克服摩擦力和外部大氣壓后轉化為彈簧的勢能：

隨后彈簧勢能釋放，在克服摩擦力后，轉化為m的動能：

最后，機座在彈簧的勢能作用下回歸原位。

同樣地，進行動量分析，亦可知氣缸氣壓、外部大氣壓、摩擦力、彈簧力對活塞的沖量等于m的動量。

由此可知，模擬后坐力與氣缸橫截面積S、活塞行程l、氣缸壓力P（x）、摩擦力Ff、彈簧剛度k有關。其中除氣缸壓力P（x）之外，其余參數均為常量，而P（x）則與氣瓶壓力P0相關。由式（6）可知若提高撞擊能量，可通過提高lA、lB的途徑；又由式（5）可知，lB的大小與P（x）、S正相關，可采用提高氣瓶壓力P0、氣缸橫截面積S的方法。

綜上所述，模擬后坐力影響因素如表1所示。

表1 模擬后坐力影響因素

2 仿真分析

2.1 有限元建模

初始模型為SolidWorks文件，對初始文件進行幾何處理，將處理好的幾何模型導入HyperMesh進行網格劃分，導出K文件，通過顯式沖擊動力學分析程序ANSYS_Lsdyna進行仿真計算。

只考慮機械結構功能部分，包括橋架、氣缸、活塞、密封圈。劃分空氣域網格將氣缸覆蓋，將進氣口部分設置為高壓空氣邊界，結構部分網格劃分如圖2所示，流體部分網格劃分如圖3所示。采用流固耦合算法進行計算。

圖2 結構部分網格劃分

圖3 流體部分網格劃分

2.2 材料參數

仿真計算中材料參數如表2所示。

表2 材料參數

2.3 仿真結果

基于已建立的有限元模型，采用ANSYS_Lsdyna通用動力學分析軟件進行求解，計算分析結果如圖4所示。

圖4 空氣域特征單元壓力變化曲線

從圖4中可以看到，氣缸中空氣壓力在高壓空氣作用后壓力較為均勻，但大小呈下降趨勢，最大壓力約為0.5 MPa。取壓力對時間的積分，如圖5所示。

圖5 氣缸氣壓時間積分曲線

考慮t=0 μs至t=3 000 μs的過程，氣缸中空氣對活塞的沖量大小為：

考慮t=0 μs至t=3 000 μs的過程，外部大氣壓對活塞的沖量大小為：

活塞的速度曲線如圖6所示。

從圖6中可以看到，在t=3 000 μs時，活塞速度為7.3 m/s，故可知m的動量為：

由式（8）、式（7）、式（10）可知摩擦力對沖量的貢獻為：

由此可知摩擦力在仿真武器工作過程中的影響較小，應著重考慮氣缸內空氣壓力的影響，而氣缸內空氣壓力的變化與氣瓶壓力、氣缸尺寸相關，具體關系需通過多工況仿真和相關理論做進一步分析。

圖6 活塞速度變化曲線

3 結語

本文從理論分析、有限元仿真兩個角度對仿真武器機械結構的運動過程進行了分析，模擬后坐力來自于機座及關聯結構運動時造成的沖擊。通過分析仿真武器工作過程，得到了模擬后坐力的影響因素。通過設計多工況仿真可確定影響因素的作用大小，進而對仿真武器結構設計提供理論指導。