新型機槍槍架及其動態特性分析

陳錦喜，王瑞林，吳海鋒

（1.軍械工程學院 火炮工程系，石家莊 050003；2.中國人民解放軍駐216廠軍事代表室，彭州 611930）

某型重機槍在野戰使用時由槍身及三腳槍架組成。槍架的作用是用以支撐槍身，保持射擊時的穩定，以提高射擊精度。槍架的性能與機槍的性能有密切的關系，良好的槍架可以提高機槍的射擊威力，改善機槍的機動性和勤務性，而不良的槍架將嚴重影響機槍的性能。因此，設計一種與槍身具有良好匹配關系，并能保證射擊穩定性且質量輕的三腳架對于提高機槍射擊精度具有重要意義［1-3］。

1 結構設計與建模

槍架設計一般分為兩種情況：一是機槍和槍架同時進行新的設計；二是現有機槍不改動而要求對其設計一種新型槍架。本文研究的是后者，設計一種新型的彈性槍架。

彈性槍架沒有彈簧緩沖器，而是將槍身與槍架直接連接，射擊時依靠槍架本身的彈性變形緩沖槍身的后坐力。在射擊過程中，彈性槍架相當于一個吸振器的作用：通過它自身的振動，吸收部分能量，減小機槍與邊界條件之間的剛性撞擊，從而達到減小槍口初始擾動、提高射擊精度的目的［3］。機槍原有的三腳架采用簡單的三根彈性架桿來吸收能量，在射擊過程中，架桿受力變形較大，槍身轉動角度較大，對射擊精度不利。

新型三腳架從后坐能量的吸收分配方面進行考慮，增加了兩根“反饋桿”和兩根連桿（如圖1所示），使后架桿承受的后坐能量由簡單的一端傳遞到多端傳遞。“反饋桿”對前架桿實施了“反饋”作用，抑制前架桿的上跳，保證機槍的射擊穩定性。新型三腳架使其所承受的后坐能量由相對集中變成相對分散，改善了受力分布情況，避免了槍架的突然變形和變形太大引起槍身轉動過大的問題。新型三腳架實體模型如圖2～圖4所示，原有三腳架實體模型如圖5所示。

2 模態計算與分析

為研究機槍系統的結構模態，首先必須建立機槍系統的有限元模型［4-5］。在建立好機槍三維實體模型基礎上，根據機槍實際結構的材料特性，指定各零部件的材料特性，并根據結構各部件的聯接關系對各部分零件進行布爾操作，然后依據各部件的結構特點選擇不同的單元類型進行實體模型的有限元劃分。其中土壤邊界條件的處理采用沙箱式模型來模擬。建立的機槍系統的有限元模型如圖6所示。

圖1 新型槍架結構簡圖Fig.1 Structure sketch of new type gun tripod

圖2 新型槍架實體模型主視圖Fig.2 Main view of solid model of new type gun tripod

圖3 新型機槍槍架實體模型俯視圖Fig.3 Planform of solid model of new type gun tripod

圖4 新型機槍槍架實體模型Fig.4 Solid model of new type gun tripod

圖5 機槍原有槍架實體模型Fig.5 Solid model of original gun tripod

圖6 機槍系統有限元模型Finite Element model of machine gun system

表1 機槍系統固有頻率表Tab.1 Natural frequency of machine gun system

限于篇幅，原有三腳架的有限元模型在此不予顯示。通過模態計算，得到機槍結構模態參數。表1列出了新型機槍三腳架（以下稱為方案1）和原有機槍三腳架（以下稱為方案2）的前六階固有頻率值，圖7～圖12給出了方案1的前六階振型。

振型圖反映了各階固有頻率所對應的結構振型形態［6］。從以上振型圖可以看出，該機槍的第一、三階固有振型主要是槍身的左右方向擺動構成，第二階固有振型主要是槍身的上下轉動構成，從第四階開始的以后各階固有振型主要由槍架（主要是架桿）的彈性變形與槍管的彎曲迭加構成。機槍第一階固有頻率為15.5 Hz，其射擊頻率為10 Hz，避開了射頻的整數倍，因此，在射擊過程中，機槍不會發生共振。

圖7 機槍系統第一階振型Fig.7 The first set mode shape of machine gun

圖8 機槍系統第二階振型Fig.8 The second set mode shape of machine gun

圖9 機槍系統第三階振型Fig.9 The third set mode shape of machine gun

圖10 機槍系統第四階振型Fig.10 The fourth set mode shape of machine gun

圖11 機槍系統第五階振型Fig.11 The fifth set mode shape of machine gun

圖12 機槍系統第六階振型Fig.12 The sixth set mode shape of machine gun

3 機槍動力響應計算

由于機槍采用槍管短后坐和導氣式混合自動原理，其受到的載荷激勵比較復雜，為了提高仿真精度，使仿真結果更加接近實際情況，本文從柔性多體系統動力學的角度出發［7-8］，研究彈性槍架與全槍整體剛性運動的相互作用和耦合，建立剛柔耦合的虛擬樣機模型。

3.1 模型簡化與假設

（1）仿真中僅考慮供彈機構和發射機構對發射過程的影響而不對其進行運動仿真。

（2）將火藥氣體作用力作為外力直接加載于彈殼和導氣活塞上。

（3）在自動機運動過程中，作用于彈殼上的抽殼阻力、推彈阻力等因在模型中無法得到而僅以外力的形式給出。

3.2 運動關系分析及定義

（1）槍機框與槍機：定義為剛體碰撞；存在一個平移自由度和一個旋轉自由度。

（2）機匣與肩托：定義為剛體碰撞；存在一個平移自由度和一個肩托緩沖器。

（3）機匣與槍管：定義為剛體碰撞；存在一個平移自由度和一個槍管緩沖器。

（4）機匣與槍機框：定義為剛體碰撞；存在復進簧和一個槍機框緩沖器。

（5）機匣與槍機：定義為剛體碰撞；同時存在一個槍機緩沖器。

（6）槍管與槍機框：存在一個平移自由度；存在導氣室火藥氣體力，槍機框受到向后的作用力，槍管受到向前的作用力。

3.3 載荷確定

機槍受到的載荷激勵不但要考慮火藥氣體作用力（包括槍膛合力和氣室壓力），還要考慮自動機復進到位和后坐到位的撞擊力，槍管復進到位和后坐到位的撞擊力，以及彈丸對槍身的扭矩和各種摩擦力。限于篇幅，本文僅給出槍膛合力和氣室壓力的曲線圖，如圖13所示。

圖13 槍膛合力和氣室壓力曲線圖Fig.13 Curves of bore force and gas cell force

3.4 仿真結果及分析

圖14為機槍剛柔耦合的虛擬樣機模型。

圖14 機槍系統剛柔耦合模型Fig.14 Model of Coupled of multiple rigid-body and flex-body

通過對機槍連發狀態進行仿真計算，得到了機槍槍口的動力響應，圖15～圖18分別給出了機槍槍口的上下方向和左右方向的動力響應。

圖15 機槍槍口Z方向（上下方向）位移Fig.15 Muzzle displacement in Z-direction

圖16 機槍槍口X方向（左右方向）位移Fig.16 Muzzle displacement in X-direction

圖17 機槍槍口Z方向（上下方向）速度Fig.17 Muzzle velocity in Z-direction

圖18 機槍槍口X方向（左右方向）速度Fig.18 Muzzle velocity in X-direction

表2 方案1和方案2彈丸出槍口瞬間的槍口響應比較Tab.2 Natural frequency of machine gun system

從機槍槍口響應圖可以看出，在連發射擊時，槍口的振動規律具有明顯的周期性。機槍槍口的位移和速度在上下方向的值較左右方向要大得多。這主要是由于一方面機槍在左右方向上是對稱的，另一方面是在施加主動力時，槍膛合力正好作用在槍管軸線上，而槍管軸線正好是機槍的左右對稱線。從方案1（實線部分）和方案2（虛線部分）的曲線圖相比較來看，方案1的槍口位移和速度都明顯小于方案2。

為了定量的比較兩種模型的仿真結果，下面以表格的形式給出仿真結果并進行比較。表2列出了兩種方案彈丸出槍口瞬間槍口速度與角速度的仿真結果比較。由于影響彈丸初始飛行姿態的主要是上下（Z方向）跳動和左右（X方向）振動，所以該表只對X方向和Z方向的仿真結果進行比較。

通過上面的比較，方案1的槍口上下和左右的振動能量分配更為合理，每發彈出槍口瞬間更接近平衡位置，這說明射擊頻率與結構的固有頻率有更好的匹配關系，機槍的射向一致性更好，從而提高了武器的射擊精度。

4 結論

通過上述分析可以看出，本文提出的新型彈性三腳槍架改善了后坐能量的吸收分配狀態，有效降低了射擊時槍口上下方向和左右方向的振動，較原有三腳架更加有利于機槍射擊精度的提高。通過本文的研究，找出機槍槍架設計中的一些規律，為機槍槍架的設計提供一定的參考作用。

［1］王瑞林.大口徑機槍動力學特性與射擊精度研究［D］.南京：南京理工大學，2003.

［2］王瑞林，李永建，張軍挪.駐鋤緩沖式槍架設計［J］.兵工學報，2007，28（2）：144-147.

［3］王瑞林，陳運生，郝躍偉.機槍動態穩定性原理與實踐［J］.南京理工大學學報，2004，28（3）：265-268.

［4］張軍挪.某型重機槍結構動力學仿真與參數優化［D］.石家莊：軍械工程學院，2007.

［5］張軍挪，王瑞林，李 鵬.機槍系統建模與動態特性仿真研究［J］.系統仿真學報，2007，19（7）：1630-1632.

［6］尚曉江.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［7］徐 誠，王亞平.火炮與自動武器動力學［M］.北京：北京理工大學出版社，2006.

［8］陳錦喜.某型重機槍動力學仿真研究［D］.石家莊：軍械工程學院，2008.