某型狙擊榴彈發(fā)射器橡膠緩沖部件對其發(fā)射性能影響研究

趙排航， 王瑞林， 李永建， 賈云非， 康小勇

(陸軍工程大學石家莊校區(qū) 火炮工程系，石家莊 050003)

某型狙擊榴彈發(fā)射器是一種集面殺傷和破甲效能于一身，遂行狙擊和精確打擊任務的單兵武器，可有效應對工事或建筑物之后的有生目標及敵輕型裝甲車輛等目標。

該武器是一款可抵肩發(fā)射的大口徑、高精度狙擊榴彈發(fā)射器，這要歸功于其多級多重緩沖機構(gòu)。其中，機匣尾部與導軌和自動機之間的橡膠緩沖墊對武器系統(tǒng)的性能起了關鍵作用。但是，橡膠緩沖墊材料的本構(gòu)關系不僅在靜載時體現(xiàn)出一定的非線性，在動載時也具有一定的應變率效應，且不同的橡膠材料，本構(gòu)模型也有很大差別，這就給模型的理論計算帶來了一定難度。

本文以該型狙擊榴彈發(fā)射器為研究對象，對該發(fā)射器的關鍵部件進行運動分析，建立虛擬樣機模型，分別進行靜載和動載壓縮實驗，對橡膠緩沖墊材料的本構(gòu)關系展開研究，得到該材料在不同平均應變率下的本構(gòu)關系，根據(jù)實際情況在虛擬樣機模型中加載合適的本構(gòu)關系以提高模型的可信性。并對仿真結(jié)果進行分析，研究橡膠緩沖墊對系統(tǒng)平穩(wěn)性和減后坐力的作用，為該發(fā)射器進一步的改進研究奠定基礎。

1 虛擬樣機的建立

該發(fā)射器主要由身管與機匣組件、浮動導軌組件、自動機組件、發(fā)射機組件、彈鼓、兩腳架等組成；由于發(fā)射器零部件較多，模型復雜，考慮到Adams軟件的建模功能相對較弱，故采用Pro/E軟件建立其三維模型，并通過Mechanism/Pro模塊導入到Adams軟件中以保證模型的精度[1]。

1.1 模型的簡化與假設

在研究過程中，主要對武器系統(tǒng)做以下簡化與假設：

(1) 忽略對自動機運動影響微小的因素，合并無相對運動的組件，忽略掉小質(zhì)量非關鍵零件；

(2) 不考慮所有彈簧的慣性，并根據(jù)彈簧的類型，用軟件中彈簧阻尼器代替；

(3) 該型發(fā)射器為抵肩發(fā)射武器，后坐力較小，且仿真計算時考慮射角為零的情況下地面支撐力對射擊過程影響較小，故將駐鋤與土壤的相互作用問題簡化為普通的剛體接觸問題。

1.2 約束副的施加

整個發(fā)射器系統(tǒng)中共包含10個自由度。構(gòu)件之間主要的運動包括：發(fā)射器與人體的相對運動、身管機匣組件與整體導軌的相對運動、自動機體與機匣的相對運動。身管與機匣連為一體在導軌內(nèi)部運動，實現(xiàn)身管后坐分擔后坐能量，減小后坐力，即身管后坐原理；自動機組件位于機匣內(nèi)部實現(xiàn)后坐與復進，發(fā)射機組件、彈鼓、兩腳架等固連于整體導軌。根據(jù)系統(tǒng)各機構(gòu)的運動關系可知，自動機機體的運動x是由導軌在人體抵肩下的運動x1、機匣相對于導軌的運動x2和機體相對于機匣的運動x3疊加的結(jié)果，表達式為

x=x1+x2+x3

(1)

武器系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),如圖1所示。其主要構(gòu)件間的運動副,如表1所示。

圖1 武器系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

約束副類型構(gòu)件1構(gòu)件2平移副身管機匣部件整體導軌平移副自動機機匣接觸副擊錘機體接觸副機體槍尾旋轉(zhuǎn)副機頭左(右)閉鎖片接觸副機頭機體接觸副拋殼挺拋殼滾輪

1.3 力的施加

在發(fā)射器系統(tǒng)中存在的力主要有：彈簧力、接觸力、槍膛合力、阻力、支架支撐力和射手抵肩力等。其結(jié)構(gòu)受力簡圖,如圖2所示。

1-整體導軌部件；2-身管機匣部件；3-機體部件；4-機頭部件；5-復位簧；6-復進簧；7-緩沖墊1；8-緩沖墊2

圖2 發(fā)射器系統(tǒng)受力簡圖

Fig.2 Force diagram of launcher system

圖2中，F(xiàn)dj為抵肩力；Fzc為支架支撐力；Fhc1為機匣尾部與導軌之間緩沖墊的作用力；Fhc2為自動機組件與機匣尾部之間緩沖墊的作用力；Ffj為復進簧力；Ffw為復位簧力；Ft為內(nèi)膛合力；Fck為抽殼阻力；Fpk為拋殼阻力；f1為機體與機匣間的摩擦力；f2為機頭與機匣間的摩擦力；f3為機匣與導軌間的摩擦力。

1.4 槍膛合力計算

根據(jù)該武器所用彈藥的相關參數(shù)，運用內(nèi)彈道理論，計算得到內(nèi)彈道時期平均膛壓，膛底壓強與平均膛壓關系式為[2]

(2)

式中：ω為裝藥量；φ1為阻力系數(shù)；q為彈丸質(zhì)量；p為平均膛壓；pt膛底壓強。

后效期的計算公式為[3]

p=pke-At

(3)

式中：p為后效期膛內(nèi)的平均壓強；pk為后效期開始時膛內(nèi)的平均壓強；e為自然對數(shù)的底；t為從后效期開始算起的時間；A為常系數(shù)。

槍膛合力的計算公式為

Ft=pt·S

(4)

式中：S為身管橫截面積。

由此得到的槍膛合力曲線,如圖3所示。

1.5 邊界條件的確定

人體阻尼和彈性都具有明顯的非線性，它取決于施加在人體上外力的幅度。研究表明[4]小幅度沖擊時人體的響應可視為線性問題，狙擊榴彈發(fā)射器作為抵肩發(fā)射武器，主要依靠各緩沖機構(gòu)吸收后坐能量，對射手的沖擊較小，因此，采用以集總參數(shù)表示的線彈性時不變系統(tǒng)模擬人體抵肩作用。抵肩參數(shù)模型,如圖4所示。

圖3 槍膛合力

圖4 抵肩參數(shù)模型

通過系統(tǒng)識別的方法，求出了該系統(tǒng)最小方差意義下的參數(shù)

(5)

2 橡膠緩沖墊作用力

該榴彈發(fā)射器作為一款抵肩發(fā)射武器，其多級多重緩沖機構(gòu)大幅度減小了武器的后坐力。在該武器的自動機與槍尾和槍尾與導軌之間均安裝有橡膠緩沖墊，分別對兩處的撞擊起緩沖作用。如何加載這兩級緩沖作用中的橡膠材料作用力稱為建立虛擬樣機的關鍵。

橡膠材料是由長鏈、大分子和網(wǎng)狀交連結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的超彈性材料[5]，也是一種不可壓縮材料，在壓縮過程中體積和密度保持不變，且其應力應變關系較金屬材料具有更強的非線性。橡膠部件在一個加載循環(huán)中一部分能量會通過熱能形式被耗散掉，故其加載和卸載曲線是不同的，這種現(xiàn)象稱為遲滯現(xiàn)象[6]。

由于Adams軟件中零部件均作為剛體來處理，無法模擬其變形與作用力的關系，橡膠緩沖墊的變形與作用力又對武器系統(tǒng)射擊過程起著關鍵作用。為了找到橡膠緩沖墊在虛擬樣機中合適的加載方式，保證武器系統(tǒng)動力學仿真的準確性，對該材料的本構(gòu)模型進行實驗研究。

在動力學仿真模型中，橡膠緩沖墊的緩沖作用直接體現(xiàn)就是對其所連接的部件間相互作用力，其作用過程為動態(tài)加載的壓縮和回彈過程。為了研究不同加載速率對其本構(gòu)關系的影響，分別采用力學萬能試驗機和霍普金森桿對橡膠緩沖墊做靜載和動載實驗。

2.1 靜載實驗

在靜載實驗中，試件的作用面積和原始厚度均為已知，只需采集加載力與壓縮位移的關系即可得到應力應變的關系，計算公式如下

(6)

式中：σ為應力；F為作用力；S為試件的原始橫截面積；ε為應變；Δl為壓縮位移；L為試件的原始厚度。

實驗采用電子萬能試驗機，采用2 mm/min的加載速度近似靜態(tài)加載，加載位移8 mm，采用加載再卸載的方式，采集壓縮和回彈位移及載荷數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到緩沖墊靜態(tài)加卸載應力應變曲線,如圖5所示。

圖5 靜態(tài)加卸載應力應變曲線

2.2 動載實驗

在武器射擊過程中，榴彈擊發(fā)后自動機在閉鎖狀態(tài)下帶動身管機匣部件后坐，后坐到位后槍尾通過緩沖墊與導軌接觸并相互作用，接觸時后坐速度大約為10 m/s，考慮到橡膠材料的力學特性對應變率比較敏感，故采用霍普金森桿實驗設備來研究該橡膠材料在不同應變率下的力學特性。霍普金森桿通過入射桿和透射桿的應變測量電路采集動載過程中入射波、反射波和透射波信號，根據(jù)一維應力波理論，可以推導出試件中應變率、應變和應力分別為[7-15]

(7)

式中：C為彈性波在桿中的波速；εI(t)、εR(t)、εT(t)分別為試件入射波、反射波、透射波的應變值；E為桿的彈性模量；A為桿的截面積。

通過調(diào)整發(fā)射桿的速度加載不同的載荷，分別記錄入射波、反射波和透射波曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可得到應力應變曲線和應變率曲線，為了定量分析不同應變率對材料特性的影響，取應變率曲線峰值平臺的平均值為平均應變率，得到橡膠緩沖墊在不同平均應變率下的加卸載應力應變關系曲線，如圖6所示。不同平均應變率下的加載應力應變關系曲線對比，如圖7所示。

圖6 不同平均應變率下的加卸載應力應變曲線

Fig.6 Loading and unloading stress-strain curve with different average strain rates

圖7 不同平均應變率下的加載應力應變曲線

由圖5和圖6可知，無論是靜載還是動載下，該橡膠緩沖墊材料均出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，表明材料具有遲滯特性。由圖7可知，該橡膠材料的本構(gòu)關系受平均應變率影響較大，且平均應變率越大發(fā)生相同應變時應力就越大，宏觀上表現(xiàn)為材料越來越硬，強度越來越大。

根據(jù)該發(fā)射器的靶場實驗數(shù)據(jù)計算兩個橡膠緩沖墊的射擊過程平均應變率，得到機匣尾部與導軌之間緩沖墊平均應變率約為580 s-1，自動機與機匣尾部之間緩沖墊應變率約為310 s-1，故采用四組動載實驗中應變率為565 s-1和324 s-1的本構(gòu)關系分別添加到機匣與導軌之間緩沖墊和自動機與機匣之間緩沖墊；根據(jù)緩沖墊的實際尺寸，計算出軸向壓縮位移與作用力的關系，在虛擬樣機模型中添加兩個marker點，將緩沖墊變形作用面軸向位移與作用力關系導入到Adams軟件成為軟件可以調(diào)用的spline函數(shù)，以兩點間x軸距離為變量調(diào)用spline函數(shù)值；由于該橡膠材料壓縮和回彈過程本構(gòu)關系不一致，故在動力學仿真軟件中采用IF函數(shù)判斷兩作用部件的相對速度將緩沖墊壓縮或回彈的作用力加載到其作用部件上。作用力函數(shù)表達式如下：

IF(VX(MARKER_840)-VX(MARKER_802): AKISPL(DIM(DX(MARKER_770,MARKER_777), 0),0,SPLINE_13,0),74675,AKISPL(DIM(DX(MARKER_770, MARKER_777), 0),0,SPLINE_11, 0))

由此，建立了發(fā)射器系統(tǒng)的虛擬樣機模型。

3 自動機運動分析與校核

該型狙擊榴彈發(fā)射器之所以能夠抵肩發(fā)射，主要在于其自動機組件與機匣、導軌在多級緩沖作用下的運動耦合對減小武器后坐力、提高平穩(wěn)性起了關鍵作用。

3.1 自動機運動分析

根據(jù)虛擬樣機仿真結(jié)果，該發(fā)射器射擊循環(huán)的機匣、導軌和機體的速度曲線,如圖8所示。將發(fā)射器膛口方向定為運動的負方向，武器擊發(fā)后，自動機在閉鎖狀態(tài)下帶動機匣共同后坐，在標識1處機匣后坐到位，尾部緩沖墊撞擊導軌，自動機機體在慣性作用下繼續(xù)后坐，此時閉鎖片開鎖，機體將帶動機頭繼續(xù)后坐；標識2處表示機匣與導軌接觸后導軌在緩沖墊作用力下開始加速后坐，在抵肩力的作用下，其速度在短暫上升后迅速下降并向前運動；機匣在第一次與導軌接觸并相互作用后仍然以緩慢的速度繼續(xù)后坐，在復位簧的作用下后坐速度逐漸減小直至向前復位，在標識3處復位到位，之后與導軌共同運動；自動機不斷后坐，在標識4處后坐到位與機匣尾部接觸并相互作用，致使機匣再次相對于導軌后坐進而壓縮復位簧，導軌則在復位簧力的作用下逐漸加速向前運動；自動機在復進簧力的作用下不斷加速復進，機匣和導軌在復進簧力、復位簧力和抵肩力的共同作用下在標識5處復位到位，之后共同發(fā)生微小運動；標識6處為自動機復進到位，機頭撞擊身管尾端，機體繼續(xù)復進關閉閉鎖片，圖8中速度波動即為閉鎖過程，之后速度降為零，整個射擊過程完成。射擊循環(huán)中機匣、導軌和機體的位移曲線,如圖9所示。

圖8 機匣、導軌和機體速度曲線

圖9 機匣、導軌和機體位移曲線

3.2 自動機運動速度校核

為了進一步說明仿真結(jié)果的可信性，將自動機機體的幾個具有代表性的運動瞬時速度仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)做了對比，如表2所示。

表2機體運動速度仿真值與實驗值對比

Tab.2ComparisonofsimulationvaluesofAutomaticbodywithexperimentalresults

機體速度仿真計算值/(m·s-1)實驗數(shù)據(jù)/(m·s-1)誤差/%后坐最大10.3510.733.7后坐到位5.485.928.0復進開始0.340.333.0復進到位4.474.766.5

從表2可知，自動機機體的運動速度仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的誤差均小于10%，符合虛擬樣機建立要求，仿真結(jié)果具有可信性。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 緩沖墊對系統(tǒng)平穩(wěn)性的影響

為了驗證橡膠緩沖墊對武器系統(tǒng)平穩(wěn)性的影響，對有無橡膠緩沖墊的兩種情況下機體、機匣與導軌的運動速度曲線進行對比，分別如圖10～圖12所示。

圖10 機體速度對比曲線

Fig.10 Speed contrast curve of automatic body

圖11 機匣速度對比曲線

Fig.11 Speed contrast curve of automatic casing

圖12 導軌速度對比曲線

由圖10可知，有無橡膠緩沖作用對機體的速度影響并不大，標識1處是在自動機后坐到位與機匣尾部接觸后速度迅速減小，有緩沖比無緩沖時速度減幅度略大是由于在緩沖墊作用下，自動機與機匣之間的緩沖力作用時間更長，自動機所獲得復進沖量也較大。

由圖11可知，標識1處為機匣后坐到位自動機開鎖過程，開鎖后出現(xiàn)速度短暫增大是由于開鎖時機體由于慣性后坐帶動機頭擠壓閉鎖片，閉鎖片靠與機匣的作用力在開鎖方向上的分力實現(xiàn)開鎖，而在與之垂直方向上的分力則帶動機匣短暫加速，開鎖完成后作用力消失；由于緩沖墊作用力要小于無緩沖時剛體接觸的作用力，故有緩沖比無緩沖時機匣與導軌接觸后減速較慢；但由于有緩沖時緩沖作用時間較長，機匣所受緩沖作用力的沖量較大，故自動機開鎖完成后有緩沖時機匣速度比無緩沖時小；機匣從自動機開鎖完成到機匣向前復位完成是在復位簧的作用下進行的，這段時間內(nèi)機匣所受外力的沖量是一定的，與有無緩沖無關，根據(jù)動量定理，標識2處有緩沖時機匣速度比無緩沖時大是合理的。

由圖12可知，有無緩沖作用對導軌的運動影響較大，在標識1處，由于無緩沖時剛體之間的作用力要比緩沖墊作用力較大，故無緩沖時在機匣后坐到位與導軌接觸后導軌的速度上升較快且最大速度較大，無緩沖最大速度是有緩沖的1.13倍；在標識2處，無緩沖時導軌速度出現(xiàn)波動而有緩沖時未出現(xiàn)；發(fā)射器的兩腳架、彈鼓、發(fā)射機、瞄準鏡等部件均固定于導軌，無緩沖作用時發(fā)射器整體后坐最大速度及振動較大。這表明，橡膠緩沖墊有效減小剛性接觸對武器系統(tǒng)的影響，減少構(gòu)件振動，提高系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

4.2 緩沖墊對后坐力的影響

為了更加直觀的說明橡膠緩沖墊的作用，將虛擬樣機中模擬抵肩力的剛度阻尼器的作用力當做后坐力，對有無橡膠緩沖墊的兩種情況下的后坐力曲線進行對比。由圖13可知，有緩沖作用時后坐力峰值約為6.1 kN，而無緩沖時后坐力峰值約為9.4 kN，是無緩沖的1.54倍；無緩沖時后坐力曲線的波動也明顯較大。這表明緩沖墊可有效降低武器后坐力，提高人機工效。

圖13 后坐力對比曲線

5 結(jié) 論

本文運用靜載和動載實驗對橡膠緩沖部件的本構(gòu)關系進行了研究，結(jié)果表明：該材料的本構(gòu)關系具有明顯的非線性、遲滯特性及應變率效應，且應變率越大發(fā)生相同應變時應力就越大，表現(xiàn)為材料的強度越大；根據(jù)實際工況中應變率，在虛擬樣機中采用以距離為變量的方式加載合適的作用力。

采用動力學仿真的方法，對比分析了有無橡膠緩沖墊作用下機體、機匣和導軌的速度曲線和后坐力曲線，分析結(jié)果表明：橡膠緩沖墊的緩沖作用可有效減小剛性接觸對系統(tǒng)的影響，提高平穩(wěn)性；有效減小后坐力，提高人機工效。