某自動(dòng)步槍機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

張小石，王憲升，喻 翔，朱智勇，陳 勝，李 巖

(1.重慶建設(shè)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401320；2.駐重慶地區(qū)第五軍事代表室，重慶 401320)

0 引言

步槍在近距離戰(zhàn)場(chǎng)和城市巷戰(zhàn)中發(fā)揮著不可替代的作用，步槍自動(dòng)機(jī)是步槍的一個(gè)重要零部件，研究自動(dòng)機(jī)的射擊動(dòng)力學(xué)特性對(duì)提高自動(dòng)步槍的可靠性有著重要意義[1]，研究推彈過(guò)程的機(jī)理可以解決卡彈故障，進(jìn)而提高自動(dòng)步槍的可靠性。本文根據(jù)導(dǎo)氣式自動(dòng)步槍的結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用ADAMS軟件建立了步槍的虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)設(shè)置樣條曲線函數(shù)(AKISPL)，實(shí)現(xiàn)外力載荷的施加，通過(guò)仿真得到自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性曲線；對(duì)抽殼、拋殼、推彈動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，能夠加深對(duì)自動(dòng)機(jī)的抽殼、拋殼、推彈動(dòng)力學(xué)特性的理解，為相似自動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和槍械的卡彈故障分析提供新的方法。

1 自動(dòng)步槍結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 自動(dòng)步槍結(jié)構(gòu)

圖1為某導(dǎo)氣式自動(dòng)步槍外形，其主要由槍管、活塞簧、活塞座、活塞桿、機(jī)框、上機(jī)匣、緩沖頂頭、復(fù)進(jìn)簧、復(fù)進(jìn)簧管、槍托、下機(jī)匣、握把、扳機(jī)、發(fā)射機(jī)盒、擊錘、機(jī)頭、護(hù)手等零件組成。

圖1 某導(dǎo)氣式自動(dòng)步槍外形

1.2 自動(dòng)步槍工作原理

當(dāng)彈丸尾端通過(guò)導(dǎo)氣孔時(shí)，火藥燃?xì)馔ㄟ^(guò)導(dǎo)氣箍的導(dǎo)氣孔進(jìn)入調(diào)節(jié)器中，在氣室力的作用下推動(dòng)活塞作功，活塞撞擊槍機(jī)，槍機(jī)開始后坐，完成開鎖、抽殼、拋殼等動(dòng)作。槍機(jī)在后坐過(guò)程中壓縮復(fù)進(jìn)簧和擊錘簧，后坐到位以后，槍機(jī)在復(fù)進(jìn)簧的作用下開始復(fù)進(jìn)，完成推彈進(jìn)膛、閉鎖擊發(fā)等動(dòng)作。某導(dǎo)氣式自動(dòng)步槍的自動(dòng)循環(huán)過(guò)程如圖2所示。

圖2 某導(dǎo)氣式自動(dòng)步槍的自動(dòng)循環(huán)過(guò)程

2 自動(dòng)步槍虛擬樣機(jī)模型的建立

2.1 基本假設(shè)

由于自動(dòng)步槍在自動(dòng)射擊的過(guò)程中零部件間的相互作用力和運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜，在建立仿真模型時(shí)抓住主要影響因素，忽略次要影響因素，在不影響模型合理性的基礎(chǔ)上，作出以下假設(shè)[2]：①對(duì)自動(dòng)步槍中的各構(gòu)件作剛體處理；②不考慮人體的緩沖作用，機(jī)匣與地固定；③將氣室力的作用作為外力直接加在活塞導(dǎo)桿上；④仿真過(guò)程中忽略一些不參加機(jī)構(gòu)動(dòng)作的零件；⑤內(nèi)道解算過(guò)程中遵循火藥燃燒的基本假設(shè)。

2.2 多剛體模型的建立

采用三維建模軟件NX.11建立該自動(dòng)步槍的三維模型。在NX.11中將三維實(shí)體模型以step格式文件保存，在ADAMS 2018中將step格式文件打開并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，按照自動(dòng)步槍射擊時(shí)的運(yùn)動(dòng)約束和受力情況，分別對(duì)自動(dòng)步槍虛擬樣機(jī)模型添加約束和施加載荷。

在ADAMS中建立的自動(dòng)步槍虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。該仿真模型中共有16個(gè)剛體、9個(gè)固定副、2個(gè)滑移副、2個(gè)旋轉(zhuǎn)副、1個(gè)圓柱副、10個(gè)碰撞接觸、3個(gè)單點(diǎn)力、4個(gè)彈簧阻尼器、1個(gè)仿真腳本、3個(gè)樣條曲線、1個(gè)傳感器。模型自由度為16。鋼與鋼的靜摩擦因數(shù)為0.15，動(dòng)摩擦因數(shù)有潤(rùn)滑時(shí)一般為0.05～0.1。機(jī)框與機(jī)匣的接觸副剛度為108N/m，阻尼為104Ns/m，穿透深度為10-4mm，庫(kù)倫靜摩擦因數(shù)為0.15，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.075，動(dòng)摩擦和靜摩擦的轉(zhuǎn)換速度為1 m/s。

圖3 ADAMS中建立的自動(dòng)步槍虛擬樣機(jī)模型

3 載荷參數(shù)的確定

根據(jù)自動(dòng)步槍擊發(fā)過(guò)程中的真實(shí)受力情況，主要的載荷有膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力、各彈簧的作用力等。

3.1 膛底合力計(jì)算

由火藥燃?xì)鈮毫3]轉(zhuǎn)化的氣室壓力是步槍自動(dòng)機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力。根據(jù)自動(dòng)武器動(dòng)力學(xué)的有關(guān)知識(shí)，膛底壓力Pt和膛底合力Fgh的半經(jīng)驗(yàn)公式為：

(1)

Fgh=SPt.

(2)

其中：φ1為次要功計(jì)算系數(shù)；ω為裝藥量；m為彈丸質(zhì)量；p為平均壓力；S為槍膛橫截面積。

通過(guò)查閱該步槍的內(nèi)彈道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)內(nèi)彈道方程，采用龍哥庫(kù)塔差分算法在MATLAB中編程，可解算出膛底壓力Pt與時(shí)間的關(guān)系。

3.2 氣室壓力的計(jì)算

氣室內(nèi)火藥燃?xì)鈮毫Φ淖兓?guī)律與膛內(nèi)氣體壓力和導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，根據(jù)布拉文經(jīng)驗(yàn)公式，氣室壓力計(jì)算公式為:

(3)

其中：pd為彈頭經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔瞬時(shí)的膛內(nèi)平均壓力；b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時(shí)間系數(shù)；α為與導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；t為氣室壓力工作時(shí)間。

根據(jù)氣室壓力變化規(guī)律，結(jié)合式(3)，通過(guò)MATLAB軟件編寫氣室壓力程序，可解算出氣室壓力與時(shí)間的關(guān)系。

3.3 彈簧力

該導(dǎo)氣式自動(dòng)步槍中用到的彈簧有壓縮彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧兩種，壓簧主要有拉殼鉤簧、托彈簧、活塞簧、復(fù)進(jìn)簧等，扭簧主要有擊錘簧、不到位保險(xiǎn)簧、擊發(fā)阻鐵簧。各彈簧參數(shù)如表1和表2所示[4]。

表1 壓縮彈簧參數(shù)

表2 扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù)

4 載荷和約束副的施加及模型檢測(cè)

要實(shí)現(xiàn)以上3個(gè)力的施加，考慮到步槍在每一發(fā)的射擊過(guò)程中伴隨著強(qiáng)烈的沖擊和震動(dòng)，以及各震動(dòng)間的耦合，導(dǎo)致自動(dòng)機(jī)的每個(gè)自動(dòng)循環(huán)過(guò)程不相等，從而影響膛底合力、氣室壓力的施加[5]。

膛底壓力的添加形式為：

2.76*AKISPL(time，0，spline_1，0)

其中：2.76為槍機(jī)面積；AKISPL為樣條曲線輸入函數(shù)；spline_1為膛底壓力曲線。

氣室壓力的添加形式為：

If(time-1.7e-003:0，0，if(time-senval(sensor_1)-9.6e-003：1.011*AKISPL(time-9.6e-003，0，spline_2，0)*0.82*0.0055^2),0,0)))

其中：spline_2為氣室壓力曲線[6,7]。

槍機(jī)在自動(dòng)循環(huán)的過(guò)程中，自身各部分的受力其實(shí)是不一樣的，為了讓仿真能夠更真實(shí)地貼近實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情形、精確地施加接觸力，采用了模型分割的辦法。即將槍機(jī)分割成3部分，如圖4所示，對(duì)3個(gè)部分施加不同的接觸力。

1-預(yù)轉(zhuǎn)；2-開閉鎖凸椎；3-槍機(jī)本體

5 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證虛擬樣機(jī)和仿真模型的可信度，本文將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取機(jī)框速度和位移的相對(duì)誤差作為動(dòng)力學(xué)模型的參照標(biāo)準(zhǔn)，若相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，可以認(rèn)為模型的仿真結(jié)果是真實(shí)有效的。機(jī)框的速度仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示，機(jī)框的位移仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示[8,9]。

表3 機(jī)框速度的仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 機(jī)框位移的仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

6 發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真分析

抽殼和拋殼過(guò)程某一時(shí)刻狀態(tài)如圖5所示。3.9 ms時(shí)機(jī)頭回轉(zhuǎn)開始抽殼，如圖5(a)所示；6.4 ms時(shí)彈殼已經(jīng)抽出，如圖5(b)所示；7.3 ms時(shí)彈殼的錐部正在脫離槍管，如圖5(c)所示；10.1 ms時(shí)彈殼已經(jīng)完全抽出，在走拋殼前的抽殼行程，如圖5(d)所示；13.1 ms時(shí)進(jìn)行拋殼動(dòng)作，如圖5(e)所示；21.4 ms時(shí)已經(jīng)走完拋殼行程，彈殼完全拋出，如圖5(f)所示。

圖5 抽殼和拋殼過(guò)程某一時(shí)刻狀態(tài)

抽殼和拋殼過(guò)程子彈的軌跡變化曲線如圖6所示。7.3 ms時(shí)彈殼已經(jīng)從槍管完全抽出，此時(shí)的速度為6.17 m/s，加速度為155 m/s2；13.1 ms時(shí)彈殼進(jìn)行拋殼動(dòng)作，此時(shí)的速度為5.9 m/s，加速度為1 357 m/s2。在拋殼的一瞬間彈殼參數(shù)變化比較大，從圖6(b)中可知仿真分析得到的拋殼行程為5 mm，自動(dòng)機(jī)的拋殼行程是5.8 mm，可以看出仿真是正確的[10]。

圖6 抽殼和拋殼過(guò)程子彈的軌跡變化曲線

推彈過(guò)程某一時(shí)刻狀態(tài)如圖7所示。43 ms時(shí)機(jī)頭的推彈凸榫接觸彈殼底部開始推彈，如圖7(a)所示；50 ms時(shí)彈頭進(jìn)入節(jié)套，如圖7(b)所示；55 ms時(shí)彈頭向槍管軸線規(guī)正，如圖7(c)所示；62 ms時(shí)彈已經(jīng)離開彈匣，彈頭已經(jīng)完全進(jìn)入槍管，如圖7(d)所示；65 ms時(shí)彈殼的錐部已經(jīng)進(jìn)入槍管，如圖7(e)所示，此時(shí)彈已經(jīng)順利進(jìn)入槍管，不存在卡彈故障；69 ms時(shí)槍機(jī)已經(jīng)完成閉鎖，推彈動(dòng)作完成，如圖7(f)所示。

圖7 推彈過(guò)程某一時(shí)刻狀態(tài)

推彈過(guò)程子彈的軌跡變化曲線如圖8所示。在21 ms時(shí)槍機(jī)后坐已經(jīng)越過(guò)彈匣，此前彈殼的動(dòng)力學(xué)參數(shù)有變化，是因?yàn)闃寵C(jī)后坐的過(guò)程中會(huì)壓彈匣里的下一發(fā)即將供的彈，此間的速度最大為2.0 m/s，加速度191 m/s2；在43 ms時(shí)開始推彈，在69 ms時(shí)推彈動(dòng)作完成，推彈時(shí)間為26 ms，此間的最大速度為4.15 m/s，加速度為287 m/s2。

圖8 推彈過(guò)程子彈的軌跡變化曲線

7 結(jié)論

本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了某自動(dòng)步槍的動(dòng)力學(xué)仿真模型。通過(guò)對(duì)抽殼、拋殼、推彈動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，能夠加深對(duì)自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的深入理解，縮短槍械研發(fā)周期并提高設(shè)計(jì)可靠性，可為槍械自動(dòng)機(jī)研發(fā)提供數(shù)據(jù)支持，為同類武器的卡彈故障分析提供新的思路。