基于虛擬樣機的一種手槍減小后坐力仿真分析

周田園，姚養無，祁玉秀

(1.中北大學，太原 030051； 2.山西北方機械制造有限責任公司，太原 030009)

【裝備理論與裝備技術】

基于虛擬樣機的一種手槍減小后坐力仿真分析

周田園1，姚養無1，祁玉秀2

(1.中北大學，太原 030051； 2.山西北方機械制造有限責任公司，太原 030009)

采用經典動力學和運動學仿真軟件ADAMS建立與手槍物理樣機幾乎一致的虛擬樣機模型。運用MATLAB編寫內彈道程序，計算彈丸擊發后槍膛內彈道氣體壓力。在模型中施加載荷，設置相關仿真參數，對虛擬樣機模型進行動力學仿真，探討改進方案對降低槍機后坐速度的影響。

ADAMS；虛擬樣機；MATLAB；動力學仿真；減小后坐力

在自動武器射擊時，火藥氣體壓力向前的沖量作用在彈丸上使彈丸加速射出槍膛，向后的沖量通過彈殼作用在槍機上使武器后坐。后坐能量除了完成拋殼和轉換成重新裝填彈藥的彈簧勢能外，槍機撞擊機框產生撞擊力。口徑越大，火藥氣體壓力越大，槍機的后坐速度越大，槍機與槍機框之間的撞擊沖量越大，武器的抖動越大，降低了自動武器射擊精度和射擊舒適性，延遲了再次射擊的瞄準時間。

手槍作為一種小巧輕便的自衛武器，由于體積的限制，不能像步槍一樣安裝高效緩沖裝置和槍口制退器。通常情況下手槍槍機后坐的方向與射手握持力的方向不在同一軸線，這樣在射擊過程中產生繞虎口握把處的翻轉力矩，迫使槍口上跳。如何降低手槍擊發后槍機后坐過程中與套筒座之間的后坐沖量，一直是國內外研究的熱點領域。我國自主設計的QX-4型手槍采用了旋轉槍管技術，在手槍套筒后坐時帶動槍管旋轉，通過這種內耗能量的方法降低手槍后坐沖量。作者受該結構的啟發，借鑒新的理念改進手槍結構，以期達到降低發射時后坐沖量和提高射擊精度和射擊舒適性的目的。

1 改進方案的原理和運動過程[1]

一種手槍采用半自由槍機自動方式，慣性閉鎖機構，該槍槍管通過槍管座和框橋的作用限制槍管橫向和縱向運動。擬在槍管外側設計一段長60 mm的螺旋槽，這段螺旋槽始終與套筒上端的引導突筍扣合(如圖1)。手槍擊發套筒開始后坐到套筒復進到位的整個過程中，套筒上的引導突筍驅動槍管回轉，消耗槍機后坐的一部分能量，這樣可以降低槍機的后坐速度，從而降低手槍的后坐沖量，提高射擊精度。

圖1 改進后的手槍三維模型

2 虛擬樣機的建立

2.1 模型系統的基本假設[2]

根據手槍各部件的結構特點和射擊時的運動規律，為便于分析仿真結果，對該模型進行如下假設：

(1)模型系統中的部件(除彈簧外)都作剛性處理；

(2)復進簧的內耗、重力和自身振動對其彈力的影響忽略不計；

(3)槍身的運動看作平面運動；

2.2 虛擬樣機模型的建立[3]

手槍結構比較復雜，先利用三維建模軟件UG，建立三維實體模型。全槍主要包括槍管、槍管座、框橋、自動機、套筒、套筒座、左機座、右機座等組件。然后將三維裝配體模型另存為.x_t格式的副本，再導入ADAMS軟件，在ADAMS/View模塊中賦予相關的材料屬性并對模型進行簡化。忽略對仿真結果沒有影響的零件，添加線性彈簧阻尼器替代模型中的復進簧(剛度0.85 N/mm，預壓力25N)。

3 虛擬樣機載荷定義

3.1 內彈道膛底合力的計算[4]

依據火藥在內彈道的燃燒規律和運動構件的運動微分方程，利用MATLAB編寫內彈道程序，求解各微分方程，計算出膛過程中“壓力-時間(t-p)”曲線如圖2所示。然后導入ADAMS生成Spline曲線。再把計算得到的力沿z軸正向用AKISPL函數施加到虛擬樣機的槍機上，形式為“AKISPL(time，0，Spline_x，0)”(x為Spline曲線序號)，然后再將其乘以槍膛橫截面積求得膛底合力。本文簡化力的加載，將求得膛底合力直接加載到槍機上,研究改進后槍機速度的變化。

圖2 內彈道壓力-時間曲線

3.2 手槍的運動副[5]

在仿真之前將不產生相對運動的構件如左機座和右機座，框橋和套筒座，槍管塊和框橋分別合并成一個整體，將套筒座與地面固定。還需要明確虛擬樣機的運動副，手槍的運動副如表1所示。

表1 手槍的運動副

4 仿真結果

為了說明設計有效，把通過新設計模型獲得的數據與設計前模型獲得的數據進行對比。令原槍模型為A，改進后的手槍模型為B。A模型的手槍槍機后坐速度曲線與槍機后坐位移曲線為圖3和圖4；B模型手槍采用新設計方案即槍管上開螺紋槽，槍管隨著套筒后坐轉動。為了仿真結果準確全面，設置槍管外表面螺紋槽曲線導程分別為35 mm、50 mm、75 mm三種情況，研究不同螺旋槽曲線導程對自動機后坐速度的影響。仿真結果如圖5和圖6所示。

圖3 A模型槍機后坐速度曲線

圖4 A模型槍機后坐位移曲線

圖5 螺旋槽曲線導程分別為35 mm、50 mm、75 mm時，B模型槍機運動速度曲線

圖6 螺旋槽曲線導程分別為35 mm、50 mm、75 mm時，B模型槍機運動位移曲線

5 仿真結果分析

由仿真曲線可知，槍管外表面螺旋槽曲線導程越小，消耗的槍機后坐能量越多，槍機在后坐過程中速度越小，后坐的槍機撞擊機框所產生的后坐沖量越小，對射手的沖擊越弱，槍口的抖動越小。整理槍機運動仿真結果為表2。

由表2可知槍管外表面螺旋槽導程分別為75 mm、50 mm、35mm時槍機最大后座速度分別比原槍減小23.0%、33.2%、45.0%。槍機后坐到位速度分別比原槍減小31.4%、44.9%、61.0%。槍機后座到位動能分別比原槍減少53.0%、67.5%、84.7%。所提出的改進方案能明顯降低槍機后坐速度和槍機的后坐能量。

然而并不是槍機的后座速度越小越好，因為槍機速度變小，復進速度也小，自動機的循環時間隨之延長(如表3所示)，槍管外表面螺旋槽導程分別為75 mm、50 mm、35 mm時自動機的循環時間比原槍增加26.1%、37.1%、57.3%。

表2 不同槍管外表面螺旋槽導程槍機的運動情況 (m·s-1)

自動機的循環時間影響手槍的射頻，要保證槍機的循環時間變化不大，否則影響手槍的實際戰斗效能。因此在確定槍管外表面螺旋槽曲線導程時，要綜合考慮這兩個因素。通過這3種不同螺旋槽導程分析，槍管外表面螺旋槽曲線導程為50 mm時較合適。

5 結論

本文所提出的減小槍機后坐到位時形成的后坐力的改進方案可行，為槍械的研制和改進提供了新的思路和方法。

[1] 姚養無.火炮與自動武器動力學[M].北京：兵器工業出版社，2000.

[2] 武俊明，姚養無.某型榴彈發射器自動機動力學仿真[J].火炮發射與控制學報，2009(6)：66-68.

[3] 劉晉霞.ADAMS 2012從入門到精通[M].北京：國防工業出版社，2007.

[4] 郭東海，姚養無，郭光全.某榴彈發射器虛擬樣機的建模與仿真[J].機械，2013(2):16-18.

[5] 張輝，張相炎.浮動自動機彈簧機構的改良設計[J].兵工自動化，2015(6):25-26.

(責任編輯周江川)

Analyzing Dynamics Simulation of Decreasing Recoil of a Pistol Based on Virtual Prototype

ZHOU Tian-yuan1, YAO Yang-wu1, QI Yu-xiu2

(1.North University of China, Taiyuan 030051, China；2.Shanxi North Machinery Manufacturing Co., Ltd., Taiyuan 030009, China)

Basing on automatic dynamic analysis of mechanical system ADAMS software as an example, we set up simulation model that are the same as actual prototype. We calculated the gas pressure during the periods of internal ballistic by MATLAB language. Imposing binding on all the moving parts in the model and setting the related parameters, we simulated the virtual prototype model by ADAMS software to explore the impact of improvement project to reduce the bolt recoil velocity.

ADAMS; virtual prototype; MATLAB; dynamics simulation; reducing the recoil

2016-09-19；

2016-10-09

周田園(1989—)，男，碩士研究生，主要從事自動武器計算機仿真。

姚養無(1961—)，男，教授，博士生導師，主要從事發射系統動力學與仿真技術，新概念新原理武器技術，模擬實驗技術，機械結構設計與動力學仿真技術等方面的研究。

10.11809/scbgxb2017.01.021

周田園，姚養無，祁玉秀.基于虛擬樣機的一種手槍減小后坐力仿真分析[J].兵器裝備工程學報，2017(1):88-90.

format:ZHOU Tian-yuan, YAO Yang-wu, QI Yu-xiu.Analyzing Dynamics Simulation of Decreasing Recoil of a Pistol Based on Virtual Prototype[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):88-90.

TJ21

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