某自動步槍機構動力學仿真分析

張小石，王憲升，喻 翔，朱智勇，陳 勝，李 巖

(1.重慶建設工業(集團)有限責任公司，重慶 401320；2.駐重慶地區第五軍事代表室，重慶 401320)

0 引言

步槍在近距離戰場和城市巷戰中發揮著不可替代的作用，步槍自動機是步槍的一個重要零部件，研究自動機的射擊動力學特性對提高自動步槍的可靠性有著重要意義[1]，研究推彈過程的機理可以解決卡彈故障，進而提高自動步槍的可靠性。本文根據導氣式自動步槍的結構參數，運用ADAMS軟件建立了步槍的虛擬樣機模型，通過設置樣條曲線函數(AKISPL)，實現外力載荷的施加，通過仿真得到自動機的動力學特性曲線；對抽殼、拋殼、推彈動力學曲線進行對比分析，能夠加深對自動機的抽殼、拋殼、推彈動力學特性的理解，為相似自動機的設計和槍械的卡彈故障分析提供新的方法。

1 自動步槍結構及工作原理

1.1 自動步槍結構

圖1為某導氣式自動步槍外形，其主要由槍管、活塞簧、活塞座、活塞桿、機框、上機匣、緩沖頂頭、復進簧、復進簧管、槍托、下機匣、握把、扳機、發射機盒、擊錘、機頭、護手等零件組成。

圖1 某導氣式自動步槍外形

1.2 自動步槍工作原理

當彈丸尾端通過導氣孔時，火藥燃氣通過導氣箍的導氣孔進入調節器中，在氣室力的作用下推動活塞作功，活塞撞擊槍機，槍機開始后坐，完成開鎖、抽殼、拋殼等動作。槍機在后坐過程中壓縮復進簧和擊錘簧，后坐到位以后，槍機在復進簧的作用下開始復進，完成推彈進膛、閉鎖擊發等動作。某導氣式自動步槍的自動循環過程如圖2所示。

圖2 某導氣式自動步槍的自動循環過程

2 自動步槍虛擬樣機模型的建立

2.1 基本假設

由于自動步槍在自動射擊的過程中零部件間的相互作用力和運動情況比較復雜，在建立仿真模型時抓住主要影響因素，忽略次要影響因素，在不影響模型合理性的基礎上，作出以下假設[2]：①對自動步槍中的各構件作剛體處理；②不考慮人體的緩沖作用，機匣與地固定；③將氣室力的作用作為外力直接加在活塞導桿上；④仿真過程中忽略一些不參加機構動作的零件；⑤內道解算過程中遵循火藥燃燒的基本假設。

2.2 多剛體模型的建立

采用三維建模軟件NX.11建立該自動步槍的三維模型。在NX.11中將三維實體模型以step格式文件保存，在ADAMS 2018中將step格式文件打開并進行動力學仿真，按照自動步槍射擊時的運動約束和受力情況，分別對自動步槍虛擬樣機模型添加約束和施加載荷。

在ADAMS中建立的自動步槍虛擬樣機模型如圖3所示。該仿真模型中共有16個剛體、9個固定副、2個滑移副、2個旋轉副、1個圓柱副、10個碰撞接觸、3個單點力、4個彈簧阻尼器、1個仿真腳本、3個樣條曲線、1個傳感器。模型自由度為16。鋼與鋼的靜摩擦因數為0.15，動摩擦因數有潤滑時一般為0.05～0.1。機框與機匣的接觸副剛度為108N/m，阻尼為104Ns/m，穿透深度為10-4mm，庫倫靜摩擦因數為0.15，動摩擦因數為0.075，動摩擦和靜摩擦的轉換速度為1 m/s。

圖3 ADAMS中建立的自動步槍虛擬樣機模型

3 載荷參數的確定

根據自動步槍擊發過程中的真實受力情況，主要的載荷有膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力、各彈簧的作用力等。

3.1 膛底合力計算

由火藥燃氣壓力[3]轉化的氣室壓力是步槍自動機產生運動的原動力。根據自動武器動力學的有關知識，膛底壓力Pt和膛底合力Fgh的半經驗公式為：

(1)

Fgh=SPt.

(2)

其中：φ1為次要功計算系數；ω為裝藥量；m為彈丸質量；p為平均壓力；S為槍膛橫截面積。

通過查閱該步槍的內彈道實驗數據，根據內彈道方程，采用龍哥庫塔差分算法在MATLAB中編程，可解算出膛底壓力Pt與時間的關系。

3.2 氣室壓力的計算

氣室內火藥燃氣壓力的變化規律與膛內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，氣室壓力計算公式為:

(3)

其中：pd為彈頭經過導氣孔瞬時的膛內平均壓力；b為與膛內壓力沖量有關的時間系數；α為與導氣裝置結構參數有關的系數；t為氣室壓力工作時間。

根據氣室壓力變化規律，結合式(3)，通過MATLAB軟件編寫氣室壓力程序，可解算出氣室壓力與時間的關系。

3.3 彈簧力

該導氣式自動步槍中用到的彈簧有壓縮彈簧和扭轉彈簧兩種，壓簧主要有拉殼鉤簧、托彈簧、活塞簧、復進簧等，扭簧主要有擊錘簧、不到位保險簧、擊發阻鐵簧。各彈簧參數如表1和表2所示[4]。

表1 壓縮彈簧參數

表2 扭轉彈簧參數

4 載荷和約束副的施加及模型檢測

要實現以上3個力的施加，考慮到步槍在每一發的射擊過程中伴隨著強烈的沖擊和震動，以及各震動間的耦合，導致自動機的每個自動循環過程不相等，從而影響膛底合力、氣室壓力的施加[5]。

膛底壓力的添加形式為：

2.76*AKISPL(time，0，spline_1，0)

其中：2.76為槍機面積；AKISPL為樣條曲線輸入函數；spline_1為膛底壓力曲線。

氣室壓力的添加形式為：

If(time-1.7e-003:0，0，if(time-senval(sensor_1)-9.6e-003：1.011*AKISPL(time-9.6e-003，0，spline_2，0)*0.82*0.0055^2),0,0)))

其中：spline_2為氣室壓力曲線[6,7]。

槍機在自動循環的過程中，自身各部分的受力其實是不一樣的，為了讓仿真能夠更真實地貼近實際的運動情形、精確地施加接觸力，采用了模型分割的辦法。即將槍機分割成3部分，如圖4所示，對3個部分施加不同的接觸力。

1-預轉；2-開閉鎖凸椎；3-槍機本體

5 模型驗證

為了驗證虛擬樣機和仿真模型的可信度，本文將仿真結果和試驗結果進行對比，選取機框速度和位移的相對誤差作為動力學模型的參照標準，若相對誤差在10%以內，可以認為模型的仿真結果是真實有效的。機框的速度仿真數據和試驗數據對比如表3所示，機框的位移仿真數據和試驗數據對比如表4所示[8,9]。

表3 機框速度的仿真數據和試驗數據對比

表4 機框位移的仿真數據和試驗數據對比

6 發射動力學仿真分析

抽殼和拋殼過程某一時刻狀態如圖5所示。3.9 ms時機頭回轉開始抽殼，如圖5(a)所示；6.4 ms時彈殼已經抽出，如圖5(b)所示；7.3 ms時彈殼的錐部正在脫離槍管，如圖5(c)所示；10.1 ms時彈殼已經完全抽出，在走拋殼前的抽殼行程，如圖5(d)所示；13.1 ms時進行拋殼動作，如圖5(e)所示；21.4 ms時已經走完拋殼行程，彈殼完全拋出，如圖5(f)所示。

圖5 抽殼和拋殼過程某一時刻狀態

抽殼和拋殼過程子彈的軌跡變化曲線如圖6所示。7.3 ms時彈殼已經從槍管完全抽出，此時的速度為6.17 m/s，加速度為155 m/s2；13.1 ms時彈殼進行拋殼動作，此時的速度為5.9 m/s，加速度為1 357 m/s2。在拋殼的一瞬間彈殼參數變化比較大，從圖6(b)中可知仿真分析得到的拋殼行程為5 mm，自動機的拋殼行程是5.8 mm，可以看出仿真是正確的[10]。

圖6 抽殼和拋殼過程子彈的軌跡變化曲線

推彈過程某一時刻狀態如圖7所示。43 ms時機頭的推彈凸榫接觸彈殼底部開始推彈，如圖7(a)所示；50 ms時彈頭進入節套，如圖7(b)所示；55 ms時彈頭向槍管軸線規正，如圖7(c)所示；62 ms時彈已經離開彈匣，彈頭已經完全進入槍管，如圖7(d)所示；65 ms時彈殼的錐部已經進入槍管，如圖7(e)所示，此時彈已經順利進入槍管，不存在卡彈故障；69 ms時槍機已經完成閉鎖，推彈動作完成，如圖7(f)所示。

圖7 推彈過程某一時刻狀態

推彈過程子彈的軌跡變化曲線如圖8所示。在21 ms時槍機后坐已經越過彈匣，此前彈殼的動力學參數有變化，是因為槍機后坐的過程中會壓彈匣里的下一發即將供的彈，此間的速度最大為2.0 m/s，加速度191 m/s2；在43 ms時開始推彈，在69 ms時推彈動作完成，推彈時間為26 ms，此間的最大速度為4.15 m/s，加速度為287 m/s2。

圖8 推彈過程子彈的軌跡變化曲線

7 結論

本文基于虛擬樣機技術建立了某自動步槍的動力學仿真模型。通過對抽殼、拋殼、推彈動力學曲線進行對比分析，能夠加深對自動機動力學特性的深入理解，縮短槍械研發周期并提高設計可靠性，可為槍械自動機研發提供數據支持，為同類武器的卡彈故障分析提供新的思路。