某自動步槍連發動力學仿真分析

張小石，王憲升，喻翔

（重慶建設工業（集團）有限責任公司，重慶 401320）

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，研究自動機的動力學特性對提高自動步槍的可靠性有著重要意義，連發又是自動步槍的一項重要性能。查了大量仿真文獻，在仿真中機匣都與地添加的是固定副，相當于槍架仿真。目前國內對抵肩連發動力學特性的研究仍處于空白，因此對自動步槍進行連發仿真有著重要意義。本文根據導氣式自動步槍的結果參數，運用adams軟件建立了步槍的虛擬樣機模型，通過傳感器和仿真腳本的聯合使用，實現了5連發外力載荷的施加，通過仿真得到了5連發自動機的動力學特性曲線。通過對槍架和抵肩兩種工況連發自動機的動力學特性曲線的對比分析，能夠加深對自動機動力學特性的理解，對自動機的設計和后續自動步槍動力學仿真提供參考。

1 自動步槍工作原理

火藥燃氣通過導氣孔進入導氣室推動活塞做功，活塞向后運動撞擊機框，活塞和機框一起后坐，活塞走完活塞行程就停止后坐，機框帶動機頭走完開鎖前自由行程，機頭完成開鎖與機框一起后坐，機框在后坐的過程中完成抽殼、拋殼等動作，當機框后坐到位后，在復進簧的作用下機框開始復進，機框在復進的過程中完成推彈、機頭閉鎖動作，當機頭走完閉鎖后自由行程，機框與節套碰撞后，槍機復進到位。

2 虛擬樣機模型的建立

2.1 基本假設

由于自動步槍在擊發的過程中，零部件間的相互受力和相對運動比較復雜，在建立虛擬模型的時候抓住主要影響因素，忽略次要影響因素，在不影響模型的合理性的基礎上，做出以下假設。

（1）自動步槍中的個構件作剛體處理。

（2）不考慮人體的緩沖作用，機匣與地固定。

（3）內道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

在Adams中建立的動力學模型如圖1所示。

圖1 Adams中建立的自動步槍虛擬樣機模型

3 載荷參數的確定

載荷參數是自動步槍動力學仿真模型中主要的考慮因素。根據自動步槍連發射擊過程中的實際受力情況，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。

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果參數有關，根據布拉文經驗公式，導氣室作用力公式為。

式中，PS為氣室壓力，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，S為導氣室活塞面積，ηs為導氣裝置的沖量效率，i0為膛內壓力的單位全沖量，e為自然對數的底，FS為氣室力。根據氣室壓力變化規律，結合式（1）、（2）、（3）、（4）通過MATLAB軟件編寫氣室壓力程序。

4 傳感器設置及外力施加

要實現以上3個力的施加，要考慮到步槍在每發的射擊過程中伴隨著強烈的沖擊和震動及各震動間的耦合，導致自動機的每個自動循環過程不相等，從而導致膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力的施加時機存在不確定性，因此用傳統靠時間來施加外力的方法，在這里是行不通的。而這個仿真時間是通過Adams中傳感器sensor的返回值senval來實現的。

氣室壓力的添加形式為：

式中if函數為判斷函數，AKSPL函數是樣條曲線輸入函數，spline_1為氣室壓力曲線；senval（sensor_1）為傳感器的返回值。

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，選取機框連發的速度的平均相對誤差作為動力學模型的校驗指標。機框最大后坐仿真速度7.38m/s，試驗速度6.94m/s，相對誤差6.3%，機框復進到仿真位速度4.18m/s，試驗3.85m/s相對誤差8.5%，若平均相對誤差在10%以內，可以認為仿真模型是可信的。

6 發射動力學仿真分析

本文通過對某自動步槍虛擬樣機模型進行動力學仿真，得到了機框的連發動力學特性，仿真時間從槍彈擊發的一瞬間開始計算，槍架機框五連發仿真結果見圖2，通過連發仿真能夠很好地理解自動機的動力學特性。

圖2 槍架仿真機框5連發位移、速度曲線

本文抵肩機框五連發仿真結果見圖3。在槍架仿真中，槍托與地添加固定副，但五連發槍托仿真總體情況是仿真曲線比較規整。速度位移曲線復進到位時槍機都有短暫的停頓，曲線上反映是保持某一值水平不變的。

圖3 抵肩仿真機框5連發位移、速度曲線

在槍架仿真中，槍托后加個緩沖彈簧，彈簧與地添加固定副。查了相關人體緩沖的相關文獻，該緩沖簧的剛度為10N/mm，阻尼為0.3N·s/mm。在槍機復進到位后，位移曲線在變化，而不是保持固定值。后坐的過程中，機框速度曲線變化波動比較大，這與加彈簧緩沖有關，抵肩仿真比槍架仿真，更能夠體現自動步槍在連發射擊中的真實性。

7 結語

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。確定了膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力等載荷參數，設置位移傳感器來控制外力的施加時機，通過senval（sensor）成功解決了自動機復進到位為初始狀態的載荷施加。并驗證了模型的可信性，對槍架和抵肩兩種工況對比進行了仿真分析。通過仿真計算得到了機框的連發動力學特性曲線，對自動機的設計、降射頻和后續自動步槍動力學仿真提供參考。