基于ADAMS機(jī)槍射擊穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)仿真分析

黃　曉，金永燦，趙東艷，廖振強(qiáng)，張茂文

(1.中國(guó)兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京　100000； 2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094；

3.中國(guó)人民解放軍73106部隊(duì)，江蘇 淮安　223311)

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基于ADAMS機(jī)槍射擊穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)仿真分析

黃曉1，金永燦2，趙東艷1，廖振強(qiáng)2，張茂文3

(1.中國(guó)兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京100000； 2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；

3.中國(guó)人民解放軍73106部隊(duì)，江蘇 淮安223311)

摘要：針對(duì)大口徑機(jī)槍射擊穩(wěn)定性低的問(wèn)題，提出一種利用膛內(nèi)火藥氣體能量來(lái)減小槍口跳動(dòng)的穩(wěn)定控制裝置；鑒于槍管在穩(wěn)定力作用下會(huì)發(fā)生變形，采用一種支架裝置來(lái)加強(qiáng)槍管的剛度；基于剛?cè)狒酆?、多柔體動(dòng)力學(xué)理論，以ADAMS、Matlab軟件為平臺(tái)，對(duì)改進(jìn)后的機(jī)槍進(jìn)行仿真，槍口跳動(dòng)的最大位移值下降了46%，腳架振動(dòng)的最大位移值下降了41%，射擊穩(wěn)定性得到明顯提高。

關(guān)鍵詞：射擊穩(wěn)定性；機(jī)槍?zhuān)粍?dòng)力學(xué)仿真；ADAMS

本文引用格式：黃曉，金永燦，趙東艷，等.基于ADAMS機(jī)槍射擊穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)仿真分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(1):40-42.

Citation format:HUANG Xiao, JIN Yong-can, ZHAO Dong-yan, et al.Dynamic Simulation Analysis on Firing Stability of Machine Gun Based on ADAMS[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):40-42.

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器作戰(zhàn)時(shí)的機(jī)動(dòng)性要求較高，武器系統(tǒng)輕量化發(fā)展趨勢(shì)已越來(lái)越明顯，而射擊穩(wěn)定性是武器系統(tǒng)輕量化所必須考慮的核心性能指標(biāo)。近些年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)射擊穩(wěn)定性提出新的見(jiàn)解，認(rèn)為射擊穩(wěn)定性和射擊精度密切相關(guān)。因此，射擊穩(wěn)定性應(yīng)該定義為：機(jī)槍在射擊時(shí),無(wú)論機(jī)槍是否跳動(dòng),只要能夠保證彈丸出膛口瞬時(shí)的射向誤差在一定的允許范圍內(nèi),就認(rèn)為該機(jī)槍的射擊是穩(wěn)定的[1]。

杜忠華[2]建立了某火炮系統(tǒng)后坐和復(fù)進(jìn)時(shí)的穩(wěn)定性分析數(shù)學(xué)模型，分析了火炮穩(wěn)定條件以及射角、駐鋤長(zhǎng)度及駐鋤埋深等參數(shù)對(duì)火炮射擊穩(wěn)定性的影響。陳明[3]建立了某機(jī)槍的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，以連發(fā)射擊時(shí)槍口的位移響應(yīng)為射擊穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析了自動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)匣撞擊剛度和阻尼、土壤的剛度和阻尼等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射擊穩(wěn)定性的影響規(guī)律。王瑞林[1,4]提出了3種射擊穩(wěn)定性原理，建立了某機(jī)槍的穩(wěn)定性力學(xué)模型，并分析了影響機(jī)槍射擊穩(wěn)定性的因素。

為提高機(jī)槍的射擊穩(wěn)定性，本文提出了一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，對(duì)機(jī)槍結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)改進(jìn)，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，為提高機(jī)槍系統(tǒng)射擊穩(wěn)定性提供參考。

1穩(wěn)定控制裝置設(shè)計(jì)

在不改變機(jī)槍的自動(dòng)方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定控制裝置來(lái)減小槍口跳動(dòng)，鑒于槍管在穩(wěn)定力作用下會(huì)發(fā)生變形，設(shè)計(jì)了一種支架裝置來(lái)加強(qiáng)槍管的剛度。

穩(wěn)定控制裝置由中央導(dǎo)氣室和噴管組成，為了不影響射擊時(shí)瞄準(zhǔn)，設(shè)計(jì)兩個(gè)噴管，氣體朝兩個(gè)斜向上的方向高速?lài)姵?，從而產(chǎn)生一個(gè)垂直向下的氣流反推力，為了便于表述，又稱(chēng)之為穩(wěn)定力。穩(wěn)定裝置沿槍管軸線方向的剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，與槍管的裝配如圖2所示。

圖1　穩(wěn)定控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　穩(wěn)定裝置安裝位置示意圖

在安裝穩(wěn)定裝置后，槍管受到穩(wěn)定裝置的氣流反推力時(shí)會(huì)發(fā)生變形，在槍管上安裝一個(gè)支架來(lái)提高槍管的剛度。由于槍管與導(dǎo)氣箍、提把沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故虛擬樣機(jī)模型中以添加固定副的形式將它們連接在一起如圖3所示。

圖3　結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的機(jī)槍整體結(jié)構(gòu)示意圖

2安裝穩(wěn)定裝置后的火藥氣體壓力計(jì)算

由于膛內(nèi)部分火藥氣體流入穩(wěn)定控制裝置內(nèi)，會(huì)引起膛內(nèi)壓力、導(dǎo)氣室壓力和彈丸初速的變化，所以有必要在安裝穩(wěn)定裝置后重新計(jì)算火藥氣體壓力。

對(duì)穩(wěn)定控制裝置進(jìn)行氣體動(dòng)力學(xué)計(jì)算主要分為3部分：通過(guò)內(nèi)彈道和后效期方程，可以計(jì)算出穩(wěn)定裝置導(dǎo)氣孔處的膛內(nèi)火藥氣體的溫度Tx、壓力Px和密度ρx的變化規(guī)律曲線?；鹚帤怏w由導(dǎo)氣孔流入中央導(dǎo)氣室內(nèi)，氣體參數(shù)變化可以參照第三章導(dǎo)氣室內(nèi)氣體計(jì)算方程?；鹚帤怏w經(jīng)中央導(dǎo)氣室后由噴管高速?lài)姵觯溥^(guò)程可按照準(zhǔn)一維非定長(zhǎng)流的方程進(jìn)行求解。

2.1火藥氣體彈道基本方程

因?yàn)樘艃?nèi)部分火藥氣體會(huì)流入穩(wěn)定裝置內(nèi)，膛內(nèi)火藥氣體彈道基本方程做如下修改：

qmb1為中央導(dǎo)氣室流入秒流量；ei1為流入中央導(dǎo)氣室單位質(zhì)量氣體所具有的能量。

2.2中央導(dǎo)氣室氣體壓力計(jì)算

火藥氣體由導(dǎo)氣孔流入中央導(dǎo)氣室內(nèi)。中央導(dǎo)氣室內(nèi)氣體密度變化方程：

qmb1為中央導(dǎo)氣室流入秒流量；qmq1為中央導(dǎo)氣室流出秒流量；Vq01為中央導(dǎo)氣室的容積；ρq1為中央導(dǎo)氣室氣體密度。中央導(dǎo)氣室內(nèi)壓力變化方程：

ei1表示流入中央導(dǎo)氣室單位質(zhì)量氣體所具有的能量；eq1表示從氣室流出的單位質(zhì)量氣體所具有的能量；pq1和Tq1分別為中央導(dǎo)氣室內(nèi)氣體的壓力和溫度。

中央導(dǎo)氣室內(nèi)氣體滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程，即

流量方程：

qmq1=NvpρpSp

N為噴管數(shù)量；vp、ρp、Sp為 噴管流入氣體的速度、密度以及噴管初始截面積。

2.3噴管內(nèi)氣流參數(shù)計(jì)算

將噴管內(nèi)氣體流動(dòng)的過(guò)程視為準(zhǔn)一維非定常流動(dòng)，并提出以下基本假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化問(wèn)題：

噴管內(nèi)氣流參數(shù)與噴管徑向距離無(wú)關(guān)，只與噴管軸向距離x和時(shí)間t有關(guān)。噴管內(nèi)壁氣體的摩擦和散熱滿(mǎn)足雷諾比擬關(guān)系。由于在每次射擊過(guò)程中，噴管起作用時(shí)間非常短，為十幾個(gè)毫秒，所以假設(shè)噴管內(nèi)壁溫度為一常數(shù)。

下面給出考慮噴管截面積變化、管壁摩擦和散熱的準(zhǔn)一維非定常流守恒型方程組：

p、ρ、T、v、e分別是氣體壓力、密度溫度、速度和比內(nèi)能。q、Z分別是單位時(shí)間管壁對(duì)單位質(zhì)量氣體的傳導(dǎo)熱和管壁的摩擦。

2.4穩(wěn)定裝置氣流反推力計(jì)算

由動(dòng)量定理確定氣流反推力公式：

ρe、ve、Pe和se為噴管出口處氣流的密度、速度、壓強(qiáng)和噴管出口截面積，Pa為大氣壓強(qiáng)；N為噴管數(shù)量；β為噴管軸線與垂直方向夾角。

3仿真結(jié)果分析

建立好安裝穩(wěn)定裝置和支架后的機(jī)槍虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真[6]。由于結(jié)構(gòu)改進(jìn)后膛壓和導(dǎo)氣室壓力下降，槍管剛度得到提高，以下分析機(jī)槍的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，并與原仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1槍口動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

由圖4可知：子彈擊發(fā)后，火藥氣體作用于膛底形成翻轉(zhuǎn)力矩引起槍口上跳，槍口位移逐漸增大；當(dāng)子彈運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)穩(wěn)定裝置位置后，穩(wěn)定裝置形成的氣流反推力抑制了槍口繼續(xù)上跳，所以彈丸出膛口瞬間槍口跳動(dòng)值明顯減小。由于槍管安裝支架后剛度提高，槍口跳動(dòng)位移在整個(gè)射擊過(guò)程中都有不同程度的減小。

彈丸出膛口時(shí)刻為子彈擊發(fā)時(shí)刻開(kāi)始，再經(jīng)過(guò)短暫的內(nèi)彈道時(shí)間。通過(guò)設(shè)置一個(gè)傳感器，可以捕捉到彈丸出膛口時(shí)刻槍口的跳動(dòng)位移值[5]。由于結(jié)構(gòu)改進(jìn)后內(nèi)彈道信號(hào)的觸發(fā)時(shí)間有延遲，所以結(jié)構(gòu)改進(jìn)后彈丸出膛口時(shí)刻也相應(yīng)的有小幅度的延遲。

圖4　結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后槍口高低方向的位移曲線對(duì)比

機(jī)槍在結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后，彈丸出膛口時(shí)刻槍口在高低方向上的位移值如表1所示。

表1　彈丸出膛口時(shí)刻槍口的位移值對(duì)比　mm

3.2腳架動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

由圖4、圖5可知：機(jī)槍在結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后腳架在高低方向的位移響應(yīng)和槍口高低方向的位移響應(yīng)比較一致，在整個(gè)射擊過(guò)程中都有不同程度的減小。

圖5　結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后腳架高低方向的位移曲線對(duì)比

4結(jié)論

本文將穩(wěn)定裝置應(yīng)用于機(jī)槍系統(tǒng)，以ADAMS仿真軟件為平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)對(duì)比可以看出，機(jī)槍結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，槍口跳動(dòng)的最大位移值下降了46%，腳架振動(dòng)的最大位移值下降了41%，在機(jī)槍每一發(fā)射擊過(guò)程中，彈丸出膛口瞬間槍口跳動(dòng)位移都有明顯下降，其最大值下降了53%，機(jī)槍的射擊穩(wěn)定性得到明顯提高。

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(責(zé)任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

Dynamic Simulation Analysis on Firing Stability of

Machine Gun Based on ADAMS

HUANG Xiao1, JIN Yong-can2, ZHAO Dong-yan1, LIAO Zhen-qiang2, ZHANG Mao-wen3

(1.China Ordnance Industry 208thInstitute，Beijing100000，China; 2.College of Mechanical Engineering，

Nanjing University of Science & Technology，Nanjing 210094，China；

3.The No. 73106thTroop of PLA, Huaian 223311, China)

Abstract:Aiming at the problem of low firing stability of large caliber machine gun, a stability control device using the energy of the propellant gas was proposed to reduce the jump of the muzzle. Considering the deformation of the barrel under the force of stability control device, a bracket device was applied to improve stiffness. The machine gun that has been changed was simulated to verify the firing stability of machine gun by using ADAMS and Matlab software based on rigid-flexible coupling and mufti-degree flexible-body dynamics theory. The maximum displacement value of the muzzle is decreased by 46%. The maximum displacement of tripod vibration is decreased by 41%, and the firing stability improves a lot.

Key words:firing stability；machine gun；dynamic simulation；ADAMS

文章編號(hào)：1006-0707(2016)01-0040-04

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.009

作者簡(jiǎn)介：黃曉(1981—)，女，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51375241；51376090)

收稿日期：2015-07-27；修回日期：2015-08-15