基于Adams的供輸彈機構運動仿真分析

張勃寅 馬 俊

（1.陜西華通機電制造有限公司,陜西 西安 710062；2.陜西普利美材料科技有限公司,陜西 西安 710065)

傳統的彈丸發射系統多采用火藥作為彈丸的發射動能[2]，但是在某些特殊環境和空間要求下，則需要采用壓縮氣體代替傳統火藥燃燒產生的高壓氣體來完成對彈丸的發射[3]。另外，現有利用壓縮輕質氣體驅動彈丸發射的裝置中，由于需要確保彈丸在發射過程中處于相對密閉的空間，多用于實驗室內的高速彈丸運動的毀傷效應試驗研究[4]。

根據某些特殊環境和空間要求，本文設計了一款新型動能發射裝置，如圖1所示。該裝置采用輕質壓縮氣體瞬間釋放來產生高壓氣源，來實現彈丸的動能發射。結合新型彈丸的要求，該款動能發射裝置設計了新型的供輸彈機構[5]。為了研究該新型供輸彈機構的動力學特性，本文利用Inventor軟件對其進行了三維建模，采用Adams動力學仿真軟件對供輸彈機構的關鍵動力學參數進行了仿真分析[6]，并得到影響彈丸輸送性能的因素，進而對其動力學參數進行優化設計。

圖1 新型動能發射裝置

1 供輸彈機構工作原理

為了滿足裝彈數量、供彈速度以及結構輕量化的要求，該新型供輸彈機構的左、右雙彈鼓水平對稱地安裝于供彈段兩側，左、右彈鼓通過供彈球體交替切換供彈。單個彈鼓中彈丸為單圈排列，可滿足一定的有效載彈量要求。供輸彈機構的三維模型如圖2所示。

圖2 供輸彈機構三維模型

供輸彈機構的工作過程如下：首先，在棘輪機構控制下渦卷彈簧將勢能傳遞給推彈桿，從而使推彈桿做手表指針式運動，并將彈丸依次推至彈鼓出彈口；其次，在電機驅動下，供彈段內的供彈球體旋轉90°，供彈球體入彈口與彈鼓出彈口對接，在推彈桿的作用下，彈丸被推入供彈球體；最后，供彈球體回轉90°，完成供彈動作。

2 初始條件設計

為了保證模型在仿真分析時的精度和效率，考慮到供輸彈機構的復雜性，將渦卷彈簧作用力簡化為作用到推彈桿中心的恒定轉矩，提取彈鼓蝸殼的內表面，將其簡化為殼單元模型，去掉供彈球體的外殼、軸承以及棘輪等與分析無關的零件，如圖3所示。

圖3 供輸彈機構三維簡化模型

另外，彈鼓蝸殼、供彈球體、推彈桿為鋁合金材料，彈丸為聚碳酸酯材料，其力學屬性如表1所示。各零件接觸部位的摩擦系數如表2所示。

表1 簡化模型材料及力學屬性

表2 各運動件的摩擦系數

根據供輸彈需求以及機構尺寸，彈丸質量為18 g，其排列分布半徑為100 mm，渦卷彈簧轉矩為2 N·m，供彈球體轉動速度為45°/s（即0.125 r/s），通過改變旋轉的啟動加速度和停止減速度，對彈丸的供彈、輸彈過程的速度、加速度等動力學特性進行分析與優化。

3 不同條件下的仿真結果及分析優化

在機械動力學仿真軟件Adams中對轉動機構模型進行參數化時，必須確定模型參數化的方式以及變量。在Adams軟件中包含4種控制方式，本文選用設計變量的方法對整個機構的變量進行參數化[7]。

由于該供輸彈機構是由外部聯結的直流電機提供驅動源，由直流電機來控制供彈球體的轉動狀態，同時渦卷彈簧的輸出力矩是在彈丸安裝時進行調整，彈丸彈出供彈球體的速度由整個發射系統的發射作用力所決定。因此，將供彈球體啟動和停止的加速度、渦卷彈簧輸出轉矩、彈丸彈出供彈球體的速度等參數設為參數變量，并轉化成相應的驅動函數，對整個運動機構進行仿真計算分析。

3.1 條件一：供彈球體以1800°/S2的加速度啟動和停止

3.1.1 條件一的參數設計

當供彈球體以加速度為1800°/S2（即5r/S2）進行啟動和停止時，為了保證90°的旋轉角度和45°/s的最大轉速，設計了供彈球體轉速隨時間變化的規律，如圖4所示。

圖4 供彈球體轉速隨時間變化的規律

按照Adams軟件操作規范，結合供彈球體轉速隨時間變化的規律曲線，為渦卷彈簧轉矩、供彈球體轉速和彈丸彈出供彈球體速度等參數設置了隨時間變化的驅動函數。

渦卷彈簧轉矩：STEP(time,0,0,0.05,2000)；

供彈球體轉速：STEP (time,0,0d,0.05,0d)+STEP (time,0.1,0d,0.125,-45d)+STEP (time,2.1,-45d,2.125,0d) +STEP (time,2.3,0d,2.325,45d)+STEP (time,4.3,45d,4.325,0d)+STEP (time,4.5,0d,4.525,-45d)+STEP (time,6.5,-45d,6.525,0d)+STEP (time,6.7,0d,6.725,45d)+STEP (time,8.7,45d,8.725,0d)；

彈丸彈出供彈球體速度：STEP(time,4.325,0,4.4,-10)，STEP(time,8.725,0,8.8,-10)。

3.1.2 條件一的仿真分析結果

（1）供彈球體轉動規律如圖5所示。0 s～0.1 s位于0°位置，供彈球體保持靜止狀態；0.1 s～0.125 s，供彈球體以1800°/S2的加速度順時針加速至45°/s；0.125 s～2.1 s，供彈球體以45°/s的速度順時針旋轉；2.1 s～2.125 s，供彈球體以1800°/S2的加速度減速至0°/s，此時供彈球體已經順時針轉過90°，旋轉到取彈狀態；2.125 s～2.3 s，供彈球體保持取彈狀態，等待彈丸進入供彈球體；2.3 s～2.325 s，供彈球體以1800°/S2的加速度逆時針加速至45°/s；2.325 s～4.3 s，供彈球體以45°/s的速度逆時針旋轉；4.3 s～4.325 s，供彈球體以1800°/S2的加速度減速至0°/s，此過程供彈球體逆時針轉過90°，第一發彈丸在發射力作用下從發射身管中射出。第二發彈丸以此往復。

圖5 供彈球體角速度變化規律

（2）彈丸1的加速度變化曲線如圖6所示。在初期，彈丸在推彈桿的轉矩作用下產生加速度，推動彈丸依次進入彈鼓出彈口和供彈球體，而后在發射力作用下加速射出。

圖6 彈丸1加速度變化規律

（3）彈丸2的加速度變化曲線如圖7所示。推彈桿的轉矩通過彈丸2作用在彈丸1上，使彈丸產生加速度，而當彈丸1在2.3 s左右將要進入供彈球體的時候，彈丸2的加速度會產生突變，待彈丸1完全進入供彈球體后，加速度又恢復至很小，直到6.5 s左右，彈丸2進入供彈球體，待供彈球體逆時針轉過90°后，在發射力作用下彈丸2加速發射。

圖7 彈丸2加速度變化規律

（4）供輸彈過程中，彈丸1、彈丸2的速度變化曲線如圖8所示。在推彈桿的作用下，0 s～1.7 s，彈丸一起運動進入出彈口，并壓緊供彈球體，等待供彈；2.1 s～2.2 s，彈丸一起運動，進入供彈球體，等待輸彈；4.3 s后，彈丸1倍加速射出；彈丸2進入第二個供輸彈循環，與彈丸1相同。

圖8 彈丸1、彈丸2的速度變化規律

（5）供彈球體的角加速度如圖9所示。在0.1 s～0.125 s，供彈球體由靜止到被賦予順時針加速度，所以加速度發生了突變；0.125 s～2.1 s，供彈球體順時針勻速轉動，加速度為零；2.1 s～2.125 s，供彈球體由勻速運動到被賦予順時針減速的加速度，供彈球體加速度發生突變；此時，供彈球體已經順時針轉過90°，進入靜止狀態，等待彈丸進入；2.3 s～2.325 s，供彈球體由靜止狀態被賦予逆時針加速度，供彈球體加速度產生突變；2.325 s～4.3 s，供彈球體逆時針勻速轉動，加速度為零；4.3 s～4.325 s，供彈球體被賦予逆時針減速的加速度，供彈球體的加速度再次發生突變，至此，彈丸1被發射出去；4.5 s～8.725 s是彈丸2被發射出去的過程，與彈丸1相同。

圖9 供彈球體角加速度變化規律

（6）供彈球體所受到的轉矩如圖10所示。在供輸彈過程中，由于彈丸的摩擦和碰撞，供彈球體所受到的轉矩會出現波動。在供彈球體的轉動過程中，轉矩峰值出現在供彈球體轉至進彈口和彈丸接觸時，是由彈丸與供彈球體發生碰撞造成的，但是最大轉矩不足80 N·mm，滿足1 N·m以內的設計要求。

圖10 供彈球體轉矩變化規律

3.2 條件二：供彈球體以900°/S2的加速度啟動和停止、渦卷彈簧轉矩輸出降低6%

考慮到供彈球體啟動加速度過高的穩定性，以及渦卷彈簧輸出轉矩隨彈丸供彈運動逐漸衰減，將供彈球體加速度大小設置為900°/S2（即2.5r/s2），并且將彈丸供彈過程中渦卷彈簧的輸出轉矩從2 N·m降低6%，對供彈運動進行重新仿真分析。

3.2.1 條件二的參數設計

與條件一類似，為渦卷彈簧轉矩、供彈球體轉速和彈丸彈出供彈球體速度等參數設置了隨時間變化的驅動函數。

渦卷彈簧轉矩：STEP(time,0,0,0.05,2000)+STEP(ti me,0.1,2000,8.825,1880)；

供彈球體轉速：STEP(time,0,0d,0.05,0d)+STEP(time,0.1,0d,0.15,-45d)+STEP(time,2.1,-45d,2.15,0d)+STEP(time,2.325,0d,2.375,45d)+STEP(time,4.325,45d,4.375,0d)+STEP(time,4.55,0d,4.6,-45d)+STEP(time,6.55,-45d,6.6,0d)+STEP(time,6.775,0d,6.825,45d)+STEP(time,8.775,45d,8.825,0d)；

彈丸彈出供彈球體速度：STEP(time,4.375,0,4.45,-10)，STEP(time,8.825,0,8.9,-10)。

3.2.2 條件二的仿真分析結果

（1）彈丸1的加速度變化規律如圖11所示。彈丸在進入供彈球體之前的加速度很小，當供彈球體旋轉90°，在推彈桿轉矩的推動作用下，彈丸1進入供彈球體時加速度出現突變。

圖11 彈丸1的加速度變化規律

（2）彈丸2的加速度變化規律如圖12所示。彈丸2的加速度波動比彈丸1明顯增大，但是加速度峰值小于彈丸1；另外，與渦卷彈簧轉矩變化不同，彈丸2的加速度沒有減小的情形，加速度峰值變化不大，且變化規律也相似。

圖12 彈丸2的加速度變化規律

（3）供彈球體的角加速度變化曲線如圖13所示。由于渦卷彈簧轉矩逐漸減小，彈丸和供彈球體之間的作用力也會減小，從而使得供彈球體的加速度大于條件一相應位置的加速度。

圖13 供彈球體的角速度變化規律

（4）供彈球體轉矩變化規律如圖14所示。與條件一情況類似，由于彈丸的摩擦和碰撞，供彈球體所受到的轉矩會出現波動，最大轉矩180 N·mm比條件一的最大轉矩要大，但滿足1 N·m以內的設計要求。

圖14 供彈球體轉矩變化規律

4 結語

在條件一和條件二下，供彈球體的角加速度輸入參數不同，仿真結果顯示彈丸1和彈丸2的加速度以及供彈球體的角加速度變化規律也不同。由此可以發現，當供彈球體的角加速度由1800°/S2變為900°/S2時，彈丸在進入供彈球體過程中加速度的變化更加趨于平緩；另外，從仿真結果也可以看出，這一改變也使得供彈球體的角加速度的最大值有明顯的下降，但是供彈球體所受轉矩的最大值變化不明顯。同時，當渦卷彈簧轉矩減小，彈丸和供彈球體之間的作用力減小，從而供彈球體受到的阻力轉矩減小，所以供彈球體的轉矩會增加，但是變化趨勢基本不變。

供輸彈機構是某新型發射裝置的關重部件，其設計和制造的質量，將直接影響整個裝置功能的實現。通過利用Adams參數優化設計功能對供輸彈機構進行仿真分析，不僅避免了復雜數學模型的建立和推導，還能準確得到供輸彈過程的運動規律，結構實際應用時對電機、渦卷彈簧等驅動部件的輸出能力，通過不同條件和參數的對比分析，得到優化的參數組合，縮短研制周期，對優化改進其他機構具有一定的參考意義。