基于剛柔耦合模型的某手槍自動機動力學仿真研究

賀 磊,姚養無,李樹軍,豐 婧

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051； 2.寧波軍鴿防務科技有限公司，浙江 寧波 315000；3.中北大學 信息與通信工程學院，太原 030051)

自動武器發射過程時間短，運動和受力復雜，使用UG和ADAMS軟件對自動武器進行建模和仿真，可以較為全面地分析研究自動武器發射過程的動態特性[1]。但是，當自動武器中存在柔性件時，如果在ADAMS中仍將柔性件定義為剛體，則其在仿真過程中不會發生彈性變形，這會降低仿真精度甚至導致仿真失敗。

1996年，ADAMS推出ADAMS Flex模塊，實現了同時包含剛體和柔體的機構動力學分析。ADAMS中的柔性體分為離散式和模態式2種：離散式柔性體是把一個剛體構件離散為幾個小剛性構件，小剛體構件之間通過柔性梁連接，離散式柔性體的變形是柔性梁的變形，并不是小剛體構件的變形，這種柔性體可以模擬物體的非線性變形，但只適用于簡單結構；模態式柔性體是由ADAMS Flex模塊或外部有限元軟件生成，能根據構件的實際結構進行復雜建模，這種柔性體采用的是模態疊加法來模擬物體變形，故僅適用于線性結構的受力分析[2]。

本文首先使用三維繪圖軟件UG繪制某手槍各零部件的三維模型并將繪制好的三維模型按其位置關系裝配，將裝配好的三維模型以Parasolid格式導入多體系統動力學分析軟件ADAMS中，在ADAMS中根據某手槍的受力關系施加載荷和約束，設置仿真參數，利用有限元分析軟件ANSYS導出的.mnf文件替換模型中的壓桿，利用ADAMS生成的離散式柔性體替換模型中的扳機簧，得到某手槍的剛柔耦合模型。通過對該剛柔耦合模型進行仿真分析，得到某手槍套筒、身管的運動特性曲線以及彈殼在拋殼過程中的運動軌跡，并分析了模態式柔性件壓桿和離散式柔性件扳機簧的受力變形情況，為該手槍的進一步優化提供了依據。

1 某手槍發射過程分析

某手槍是一種半自動手槍，采用槍管短后坐自動方式、槍管偏移式閉鎖機構、擊錘式擊發機構，有手動保險、握把保險和空倉掛機裝置。擊發后，火藥氣體通過推動套筒和槍管共同后坐一段距離(自由行程)，槍管受到鉸鏈限制停止運動，而套筒繼續后坐并完成抽殼、拋殼、壓倒擊錘、壓縮復進簧等動作；復進時，靠復進簧伸張推動套筒復進并完成推彈入膛，套筒撞擊槍管尾端帶動槍管一起復進完成閉鎖。其結構原理簡圖如圖1。

圖1 某手槍自動機結構原理示意圖

2 某手槍剛柔耦合虛擬樣機的建立

為了便于仿真，在不影響模型合理性的前提下作以下基本假設：

1) 除壓桿、扳機簧、彈簧外，其他運動構件均為剛體；

2) 不考慮子彈發射時作用在身管上的阻力，火藥氣體直接作用于套筒彈底窩中心；

3) 彈簧阻尼忽略不計。

某手槍由套筒、身管、套筒座、擊發機構、彈匣等組成。根據各零件的尺寸參數，利用三維繪圖軟件UG繪制該手槍的三維實體模型，隱藏不涉及本文研究內容的零部件后，將裝配好的模型導出為Parasolid格式(.x_t文件)，然后將其導入多體系統動力學仿真軟件ADAMS中。

在ADAMS界面中生成一段離散式柔性體以替代原模型中的扳機簧。在ANSYS Workbench界面中為壓桿劃分網格，以.dat文件形式導入ANSYS APDL界面中并為其定義外接點，然后輸出.mnf文件。在ADAMS界面里導入.mnf文件使壓桿柔性化以替代原模型的剛性壓桿。建立好的虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 某手槍剛柔耦合虛擬樣機模型

根據某手槍的實際發射情況，考慮的載荷參數主要有扳機力、膛底合力、碰撞力、彈簧力和抽殼阻力：

1) 扳機力

單動手槍的扳機力一般為15～35 N[3],選取30 N作為虛擬樣機模型中扳機力的大小。

2) 膛底合力

作用于膛底的火藥燃氣壓力是某手槍自動機產生運動的原動力。運用經典內彈道計算模型在MATLAB中生成的平均壓力隨時間變化的計算曲線如圖3虛線所示，試驗測得的內彈道試驗曲線如圖3實線所示，計算曲線與試驗曲線的擬合度較好，故可以作為某手槍發射時的膛內平均壓力曲線。在MATLAB中將平均壓力曲線上點的橫縱坐標提取出來導入ADAMS中生成樣條曲線，用AKISPL函數以力的形式加載到套筒彈底窩中心。通過經驗公式將平均壓力轉化為膛底壓力,從而求得膛底合力，相關公式為

(1)

Fgh=SpT

(2)

式中：φ1為次要功計算系數；ω為裝藥量；m為彈丸質量;Fgh為膛底合力；S為槍膛橫截面積。

圖3 某手槍內彈道曲線

3) 碰撞力

運用ADAMS提供的Impact給模型施加碰撞力，其力學模型為

(3)

式中：k為剛度;δ為穿透深度;C為阻尼;n為力指數。

4) 彈簧力

該手槍中的彈簧有復進簧、擊針簧和擊錘壓桿簧，參數如表1所示。

表1 彈簧參數

5) 抽殼阻力

抽殼阻力Fφ是指拉殼鉤從身管中把彈殼拉出來時所遇到的阻力，可由拉殼阻力的近似公式得到：

(4)

式中：f0為彈殼與彈膛之間的摩擦因數;lk為彈殼在彈膛內的總長;d1為彈殼內徑;E1為彈殼材料的彈性模量;δ為彈殼壁厚;Δ為彈殼外表面與彈膛壁間的相對緊縮量;dpj為彈殼的平均直徑;α為彈殼錐型部的半錐度角;x為彈殼后退行程。

在添加完載荷之后，還要在各部件之間添加約束，各活動部件的約束關系如表2所示。

表2 活動部件之間的運動副約束

為了驗證剛柔耦合模型的可信度，將虛擬樣機的仿真結果與試驗結果進行了對比。選取射擊時套筒到達各關鍵位置的時間作為剛柔耦合模型的校核標準，仿真結果與試驗結果進行對比，如表3所示。

表3 仿真結果與試驗結果對照

3 某手槍柔性件動力學特性分析

3.1 柔性壓桿動力學分析

柔性壓桿首先受到扳機橫向力作用，受力變形后推動阻鐵釋放擊錘；在后坐過程中柔性壓桿受套筒內弧形槽作用向下運動，在運動過程中受到柔性片簧的支撐;在套筒復進到位后，柔性壓桿再次被套筒施壓，最后停留在套筒弧形槽內。圖4為柔性壓桿在Ansys Workbench中的網格模型，表4為柔性壓桿在剛柔耦合模型仿真過程中的熱點表。

圖4 柔性壓桿網格模型示意圖

表4 柔性壓桿仿真過程熱點數據

如表4所示，柔性壓桿在0.001 3 s時受力最大，其中，第763號單元受到的等效應力最大，為3 267.55 MPa。

3.2 柔性扳機簧動力學分析

柔性扳機簧被分為100個小矩形剛體，之間由柔性梁連接。在后坐過程中，柔性扳機簧在柔性壓桿的推動下發生彎曲并支撐著柔性壓桿，在套筒復進到位后推動扳機復位。圖5為柔性扳機簧在ADAMS中的簡化模型，圖6為柔性扳機簧在剛柔耦合模型仿真過程中的變形曲線。

圖5 離散式柔性扳機簧簡化模型示意圖

由圖6所示，100號單元由于被固定，所以其在X軸的位移為0，1號單元在仿真過程中處于穩定狀態時其X軸坐標為-53.10 mm，其在套筒復進到位后X軸的坐標為-49.98 mm,故柔性扳機簧在在X軸方向的最大位移為3.12 mm。

圖6 離散式柔性扳機簧變形曲線

4 某手槍發射動力學特性分析

對某手槍剛柔耦合模型進行動力學仿真計算，得到其發射動力學特性。圖7為身管速度、位移曲線，圖8為套筒速度、位移曲線，圖9為彈殼在抽、拋殼過程中的運動路徑。

圖7 身管位移、速度曲線

圖8 套筒位移、速度曲線

圖9 彈殼在抽、拋殼過程中的運動路徑

由圖8槍管、位移隨時間變化的曲線可知：身管后坐時的最大速度為4.49 m/s,后坐到位的時間為0.008 4 s;復進到位時速度為2.83 m/s,復進到位的時間為0.052 9 s。

由圖套筒位移、速度隨時間變化的曲線可知：套筒后坐時的最大速度為4.41 m/s,后坐到位時的速度為2.26 m/s;復進時的初始速度為0.098 m/s,復進到位時的速度為2.96 m/s。整個自動循環過程持續了0.045 8 s。

圖9為彈殼在抽、拋殼過程中的運動軌跡，從圖中可以看出：彈殼在拉殼鉤的作用下較平穩地運動到拋殼挺位置，在與拋殼挺撞擊后，從拋彈窗翻滾地拋出。

5 結論

基于虛擬樣機和有限元技術建立了手槍剛柔耦合模型，通過將仿真結果與試驗作對比，證實了模型的合理性，為自動武器中的柔性件在ADAMS中仿真提供了思路，為該手槍進一步機構優化提供了理論依據。