基于ADAMS的環形彈簧后坐緩沖運動仿真

魏立新，陳延偉，劉明敏

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

環形彈簧由多個帶有內錐面的外圓環和帶有外錐面的內圓環配合組成，由于接觸表面具有很大的摩擦力，加載時增大彈簧作用力，卸載時減小彈簧作用力。環形彈簧再加載和卸載循環中，由摩擦力轉化為熱能所消耗的功，其大小幾乎可以達到加載過程所作功的60%～70%[1]，其常應用在空間尺寸受限而又需要強力緩沖的場合。

在不需利用自動機復進能量完成機構動作的小口徑火炮（大口徑機槍）中，特別是轉管自動機，應用環形彈簧進行后坐緩沖優勢比較明顯，不僅可以減小自動機后坐能量，也可以減輕復進對炮架的沖擊，提高射擊精度。

ADAMS軟件是功能強大的動力學仿真軟件，在ADAMS中的彈簧剛度只能是固定值，不能設置不同的加載和卸載剛度直接模擬環形彈簧，本文用ADAMS中的一維作用力的表達式來模擬環形彈簧緩沖，勿需編寫用戶子程序[3]。

1 轉管炮后坐緩沖受力分析

本文以某轉管炮為對象，利用ADAMS軟件，對自動機后坐復進運動進行模擬仿真。后坐緩沖模型如圖2所示，后坐部分受到發射沖擊力火藥氣體作用向后運動，壓縮環形彈簧進行緩沖并存儲復進能量，后坐到某平衡點后（即后座速度為0時），在環形彈簧作用下開始復進，在自動機復進過程中發射下一發炮彈，后座能量被自動機前沖能量抵消一部分后，自動機繼續后坐，如此連發時，實現了自動機浮動，后坐力峰值降低，大小穩定。在高射速射擊過程中，自動機復進一般不會出現前沖狀態，即前支座不會碰撞搖架，有利于減小復進沖擊力。

以后坐部分為研究對象，其受力如圖3所示。后坐部分主要承受炮膛合力、彈簧力和摩擦力。

圖1 環形彈簧力學性能曲線Fig.1 Annular spring mechanical property curve

圖2 后坐緩沖模型示意圖Fig.2 Structure chart of the recoiling buffer

彈簧阻尼與速度方向相反，摩擦力與速度方向相反。

2 ADAMS下環形彈簧力學特性實現方法

在ADAMS環境下實現環形彈簧力學特性模擬的方法，如圖2所示，首先，在前支座和后支座之間添加SFORCE力，該力的值項用函數表達式表示；其次，為判斷環形彈簧受力方向變化，需調用邏輯函數IF判斷，以實現后坐復進過程的轉變；最后，通過后座位移仿真數據得出環形彈簧受力大小，即后坐力。

邏輯依據是：

1）當前支座處于后坐運動時：作用力=彈簧變形力+阻尼+摩擦力；

2）當前支座處于復進運動時：作用力=彈簧變形力×比例系數+阻尼×比例系數-摩擦力；

3）當后支座處于復進運動時：作用力=彈簧變形力+阻尼-摩擦力；

4）當后支座處于后坐運動時：作用力=彈簧變形力×比例系數+阻尼×比例系數+摩擦力。

在ADAMS軟件環境下，以前、后支座的運動速度作為后坐復進判斷條件，而不直接以后坐部分運動作為判斷條件，是因為后坐部分不能準確的反映彈簧的反向壓縮情況。以炮口方向為正，具體如下：

若后支架不動，前支架運動

若前支架不動，后支架運動

需要說明的是，由于彈簧力的存在，前、后支座不可能存在同時運動情況。由于在仿真軟件下，開始仿真段存在振蕩情況，因此增加判斷前、后支座運動的條件。下面列出ADAMS軟件下的環形彈簧表達式。

2.1 按設計參數仿真

按照ADAMS函數表達式的IF嵌套語句寫出該力，IF函數的各式為IF（表達式1：表達式2，表達式3，表達式4），表示當表達式1＜0，執行表達式2，當表達式1=0，執行表達式3，表達式1＞0，執行表達式4。

IF（后支座位移:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（后支座速度:

2.2 用彈簧測試數據仿真

在環形彈簧生產出來后，要進行壓力測試，根據測試數據也可以進行后坐仿真，下面以環形彈簧的測試數據為條件的函數表達式。要用到AKISPL函數，該函數返回根據Akima樣條曲線的擬合值。AKISPL 格式為AKISPL（第1獨立變量,第2獨立變量，樣條函數名，求導階數），其中第1獨立變量代表樣條中第1個實數變量，如彈簧壓縮量；第2獨立變量表示第2個實數變量，如曲面；求導階數合法值：0-返回曲線坐標值，1-返回一階導數值，2-返回二階導數值，SPLINE_1是環形彈簧測量加載曲線，SPLINE_2是環形彈簧測量卸載曲線。

IF（后支座位移:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（后支座速度:

3 仿真結果

3.1 依據設計參數仿真

根據設計參量，編寫ADAMS函數表達式，并進行仿真，得到如下結果。可以看到設計滿足后坐緩沖要求，自動機射擊過程可以“浮動”起來。

圖4 彈簧力-時間曲線Fig.4 Spring force-time curve

圖5 彈簧力-位移曲線Fig.5 Spring force-displacement curve

圖6 自動機后坐位移-時間曲線Fig.6 Recoil displacement-time curve

圖7 彈簧力-時間曲線Fig.7 Spring force-time curve

3.2 以實際測試數據仿真

在實際生產中，彈簧并不能完全符合技術設計要求，因此需對彈簧測試數據進行仿真，結果見圖8。本文的環形彈簧測試數據是已經射擊了幾千發后的數據，因此可見彈簧有壓縮到極限位的情況。

4 與試驗結果對比

把仿真的后坐位移曲線與實際測試的位移曲線進行對比，可以發現曲線較一致，特別是用測試彈簧數據仿真的后坐位移曲線，其趨勢與測試后坐位移曲線比較一致（見圖9和圖10）。由于仿真時對實際情況進行了大量簡化，仿真結果和實際結果并不完全一致。

5 結 語

通過運行函數表達式，在ADAMS軟件下實現了環形簧特性的后坐緩沖運動仿真，通過與試驗數據比對，結果較吻合。該方法可以用到火炮設計的數字仿真中，簡化了仿真過程，對提高設計手段具有積極意義。

圖8 彈簧力-位移曲線Fig.8 Spring force-displacement curve

圖9 后坐位移曲線（發射率4 200發/分）Fig.9 Recoil displacement-time curve

圖10 實際射擊測試后坐位移曲線（發射率4 200發/分）Fig.10 Test dadta of recoil displacement-time curve

[1]成大先.機械設計手冊(第3卷)[M].第五版.第11篇第9章環形彈簧.北京: 化學工業出版社, 2014.CHENG Da-xian.Mechanical design handbook(3)[M].Version 5.Chapter 9.Annular Spring.Beijing: Chemical Industry Press,2014.

[2]劉明敏, 張蔚峰, 朱延飛.2種緩沖簧反后坐效能分析[J].艦船科學技術, 2014, 36(11): 157–161.LIU Ming-min, ZHANG Wei-feng, ZHU yan-fei.Efficiency analysis about two kinds of counter recoil equipment[J].Ship Science and Technology, 2014, 36(11): 157–161.

[3]周發明, 王寶元, 霍文妮, 等.環形彈簧特性的RecurDyn子程序實現方法[J].火炮發射與控制學報, 2007(2): 21–23.ZHOU Fa-ming, WANG Bao-yuan, HUO Wen-ni, et al.Implementation of recurdyn subprogram with characteristics of ring spring[J].Journal of Gun Launch and Control, 2007(2):21–23.

[4]賈長治, 杜秀菊, 劉廣生, 等.火炮沖擊緩沖裝置動態特性影響仿真分析與改進方法[J].機械工程學報, 2012, 48(19):156–162.JIA Chang-zhi, DU Xiu-ju, LIU Guang-sheng, et al.Simulation and improvement of dynamic characteristics of impact buffering mechanism of guns based on virtual prototyping technology[J].Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(19): 156–162.

[5]申江森, 高躍飛, 徐鳳軍.基于ADAMS的某突擊炮發射動力學仿真[J].機械工程與自動化, 2015(2): 105–107.SHEN Jiang-sen, GAO Yue-fei, XU Feng-jun.ADAMS based dynamic simulation of assault gun firing[J].Mechanical Engineering & Automation, 2015(2): 105–107.