某自動步槍發射動力學仿真

宮鵬涵，周克棟，康小勇，李永建

（1.南京理工大學 機械工程學院，南京210094；2.軍械工程學院 火炮工程系，石家莊050003）

自動機工作中構件間的撞擊會使自動機主、從動件的速度發生突變，產生巨大沖量，影響零件強度和自動機工作穩定性，從而影響武器連發射擊精度［1］。因此，研究活動機件構件間撞擊對于自動武器結構改進具有重要意義。本文以某自動步槍為研究對象，基于動力學仿真軟件ADAMS建立了該步槍虛擬樣機模型，得到了該自動步槍發射時活動機件的動力學特性和沖擊載荷情況。

1 某步槍發射過程分析

某步槍采用導氣式自動原理，即利用槍膛內導出的部分火藥燃氣帶動自動機完成自動動作。其結構原理簡圖如圖1所示。

圖1 自動步槍結構原理簡圖

槍彈發火后，高溫高壓的火藥燃氣推動彈丸向前運動，當彈丸越過導氣孔后，部分火藥燃氣經過導氣孔進入氣室沖擊活塞，活塞向后撞擊槍機框帶動槍機后坐，并帶動槍機回轉開鎖，隨后完成抽殼、拋殼等動作，槍機框、槍機后坐至擊錘撞擊緩沖杠桿后停止；在緩沖杠桿和復進簧的作用下槍機框帶動槍機向前復進，槍機向前復進推彈進膛，閉鎖槍膛；槍機框向前復進至與機匣接套相撞后停止運動。

2 虛擬樣機模型的建立

2.1 基本假設

根據該自動步槍的結構特點以及射擊過程中活動機件的運動規律，在不影響模型合理性的前提下，作如下假設［2－3］：①武器系統中各構件均作剛體處理；②機匣與地面固定不動；③不考慮子彈發射時作用在槍管上的阻力，將火藥氣體作用作為外力直接加載于槍機和活塞上；④由于推彈力相對火藥氣體作用力小很多，所以不考慮推彈力；⑤彈簧內耗忽略不計。

2.2 多剛體模型的建立

運用三維建模軟件Pro／E建立該步槍的三維實體模型，選用ADAMS與三維造型軟件Pro／E無縫連接的MECH／Pro菜單自動生成剛體，然后導入機械系統動力學仿真軟件ADAMS中進行動力學分析。按照武器系統射擊時各零部件的實際運動和受力情況，分別添加相應的運動約束和力元關系。某自動步槍多剛體動力學仿真模型如圖2所示。模型中共有30個剛體，18個固定副，3個移動副，6個旋轉副，1個圓柱副，54個剛體碰撞。模型的總自由度：

D＝6×30－6×18－5×3－5×6－4×1＝23

槍機框、機匣與武器其他零部件連接關系如圖3、圖4所示。

圖2 某自動步槍動力學仿真模型

圖3 槍機框與其它零部件的連接關系

圖4 機匣與其它零部件的連接關系

2.3 載荷參數的確定

載荷參數是武器系統動力學模型的重要參數。根據步槍實際發射情況，考慮的載荷主要有槍膛合力、氣室壓力、抽殼阻力和各種彈簧的作用力等。

2.3.1 槍膛合力的計算

作用于膛底的火藥燃氣壓力是步槍自動機產生運動的原動力。火藥燃氣作用力的原始數據可根據槍管設計圖紙以及槍彈參數獲得［4－6］。利用內彈道公式計算得到平均壓力p，如圖5所示。通過經驗公式將平均膛壓p轉化為膛底壓力pt，其轉化公式為［4］

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

圖5 內彈道壓力－時間曲線

2.3.2 導氣室火藥燃氣作用力的計算

氣室內的火藥氣體壓力的變化規律與膛內火藥氣體壓力和導氣裝置的結構參數有關，根據布拉文經驗公式［4］，導氣室火藥燃氣作用力為

式中：Fs為導氣室火藥燃氣作用力，pd為彈頭經過導氣孔瞬時的膛內平均壓力，a為與導氣裝置結構參數有關的結構系數，t0為槍彈擊發后彈頭運動到導氣孔的時間，Ss為導氣室活塞面積，b為與膛內壓力沖量有關的時間系數。

2.3.3 抽殼阻力

抽殼阻力Fφ是指拉殼鉤從槍膛中把彈殼拉出時所遇到的阻力，可由抽殼阻力的近似計算公式獲得［5］：

式中：f0為彈殼與彈膛之間的摩擦系數，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。

2.3.4 彈簧力

該自動步槍中的彈簧有活塞簧、復進簧、擊錘簧等壓縮彈簧，也有緩沖器簧、不到位保險機簧等扭轉彈簧。ADAMS軟件的力庫提供了這2種彈簧，可根據彈簧的設計剛度和預壓力施加作用。主要彈簧參數如表1和表2所示，表中，k1為壓縮彈簧剛度，k2為扭轉彈簧剛度，F0為預壓力。

表1 壓縮彈簧參數

表2 扭轉彈簧參數

2.4 模型的驗證

為驗證虛擬樣機及仿真模型的可信性，本文將所計算的結果與試驗結果進行了對比。選取射擊時槍機框的速度作為動力學模型的校核指標，仿真結果與試驗結果對比，誤差均在10%以內，證明該模型具有較高的可信度。仿真結果與試驗結果對比見表3，表中，v1為機框在各特征點時刻的速度，ev為速度相對誤差。

表3 機框速度仿真結果與試驗數據對比

3 發射動力學特性分析

對本文建立的某自動步槍虛擬樣機模型進行動力學仿真計算，得到其發射動力學特性。仿真時間從槍彈發火的瞬間開始計時，仿真結果見圖6～圖8，圖中，v1，s1分別為機框速度和位移；v2，s2分別為槍機速度和位移；v3，s3分別為擊錘速度和位移。

圖6 機框速度、位移曲線

圖7 槍機速度、位移曲線

圖8 擊錘速度、位移曲線

由圖6槍機框運動速度的變化可知，槍機框后坐時的最大速度出現在槍機框剛開始后坐時，v1＝7.15m／s。槍機框復進時，在槍機撞擊機匣時出現最大速度，v1＝4.70m／s。后坐時槍機框撞擊擊錘、復進時槍機撞擊機匣接套和復進到位時槍機框撞擊機匣都對槍機框存在較大的沖擊。

由圖7槍機運動速度的變化可知，槍機作為從動件大部分時間和槍機框一起運動，當槍機與機匣接套啟動斜面相接時，槍機速度v2＝4.67m／s。槍機與槍機框、擊錘、機匣都存在碰撞，所以槍機受到的沖擊也比較多。

由圖8擊錘運動速度的變化可知，擊錘后坐時的最大速度為槍機框碰撞擊錘瞬間，v3＝6.74m／s。擊錘在前后運動過程中與槍機、緩沖杠桿、不到位保險之間都存在比較明顯的沖擊。

某自動步槍射擊時，就武器本身而言，槍身受力的來源是火藥氣體作用下活動機件與槍身碰撞所產生的載荷。在虛擬樣機中，這些載荷也就是固定架座機匣受到的沖擊載荷。機匣受到的沖擊載荷F如圖9所示。

圖9 固定架座在槍前后方向受到的沖擊載荷

圖中，a表示在膛底合力作用下槍機閉鎖支撐面與機匣接套閉鎖支撐面碰撞產生的載荷，b表示擊錘與緩沖器碰撞產生的載荷，c表示緩沖器上端向后運動到位與槍托體產生的載荷，d表示緩沖器下端向前運動到位與機匣碰撞產生的載荷，e表示復進時槍機與機匣接套相撞時產生的載荷，f表示槍機框復進到位與機匣碰撞產生的載荷。

由仿真結果可知，活動機件產生的碰撞對槍身前后方向的沖擊較多。其中對槍身向后的沖擊主要來自2個方面：①槍彈發火后由火藥氣體產生的膛底合力；②槍機框后坐到位與緩沖器及槍托碰撞產生的沖擊力。對槍身向前的沖擊主要來源于槍機、槍機框向前復進到位時與機匣接套碰撞產生的沖擊力。

4 結論

本文基于虛擬樣機技術建立了某自動步槍全槍發射動力學模型，確定了槍膛合力、導氣室壓力、抽殼阻力、彈簧作用力等參數載荷，并驗證了模型的可信性。通過仿真計算獲得了一系列仿真結果。研究了該自動步槍射擊時活動機件的動力學特性，分析了活動機件前后運動產生的碰撞對槍身的沖擊情況，為該步槍結構優化、人槍系統動力學的研究及人機工效的評價奠定了基礎。

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