頻率匹配準(zhǔn)則的某型機槍自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

張軍挪，王瑞林，化斌斌，康小勇

（軍械工程學(xué)院，石家莊　050003）

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頻率匹配準(zhǔn)則的某型機槍自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

張軍挪，王瑞林，化斌斌，康小勇

（軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

摘要：首先分析了影響某型重機槍射擊精度的影響因素，并以武器頻率匹配準(zhǔn)則為依據(jù)，以建立的機槍動力學(xué)虛擬樣機模型為平臺，通過靈敏度分析，找出導(dǎo)氣孔橫截面積、活塞的有效橫截面積、槍機框質(zhì)量、槍機質(zhì)量和槍機框緩沖簧剛度等參數(shù)是影響武器射擊頻率的主要因素；利用序列二次規(guī)劃優(yōu)化方法對自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化仿真結(jié)果表明，武器的射向一致性得到明顯提高，這對于武器結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計，提高武器射擊精度是至關(guān)重要的。

關(guān)鍵詞：射擊頻率，機槍，自動機，結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0　引言

隨著對機槍戰(zhàn)場機動性能要求的不斷提高，機槍的重量大幅度降低，機槍的射擊精度與其固有特性有直接關(guān)系，具體來說，影響武器連發(fā)射擊精度的主要原因是武器的低階振型以及射擊頻率與固有頻率的匹配關(guān)系［1］。按照傳統(tǒng)觀點只要武器基頻大于射頻的2.5倍以上，就可以不考慮武器振動的影響，其理論依據(jù)是在武器的結(jié)構(gòu)阻尼影響下，前一發(fā)彈丸射擊所引起的振動在下一發(fā)彈丸出槍口時已基本衰減。因此，射擊頻率與固有頻率的匹配關(guān)系對連發(fā)射擊精度的影響相對較弱。隨著武器重量的大幅度減輕，武器的基頻與射頻比常常會低于2.5甚至低于1.0，在這種情況下，由前一發(fā)彈引起的振動必然對下一發(fā)彈產(chǎn)生影響，此時，射擊頻率與固有頻率匹配的好壞將直接影響武器的連發(fā)射擊精度，因此，要保證機槍具有良好射擊精度，就必須保證機槍固有頻率和射頻的合理匹配［2］。

某型12.7 mm重機槍在設(shè)計時廣泛采用新材料、新工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計新思想，武器重量得到大幅度減輕，但也使該槍在射擊時彈性變形較大，從而影響該武器的射擊精度。因而，在武器裝備部隊之初，部隊反映該槍的射擊精度較差，需要進(jìn)一步提高武器的射擊精度。武器穩(wěn)定射頻與結(jié)構(gòu)固有振動頻率之間的匹配關(guān)系是影響該型重機槍射擊精度的主要因素，因此，優(yōu)化武器結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善武器射擊頻率與結(jié)構(gòu)固有振動頻率之間的匹配關(guān)系成為提高武器射擊精度的關(guān)鍵。

1　某型重機槍射擊精度的影響因素分析

由動態(tài)穩(wěn)定性的影響因素可以看出，分析武器射擊精度的影響因素應(yīng)從機槍結(jié)構(gòu)、激勵和邊界條件3方面因素考慮，圖1是針對某型12.7 mm重機槍的結(jié)構(gòu)特點和存在的實際問題，從影響該機槍穩(wěn)定射頻與固有振動頻率之間匹配關(guān)系的因素出發(fā)，分別從槍架剛度、自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)、自動方式、槍彈參數(shù)和駐鋤結(jié)構(gòu)對武器射擊精度的影響進(jìn)行了分析［3］。從優(yōu)化駐鋤和槍架結(jié)構(gòu)提高武器射擊精度的研究已經(jīng)很多，武器系統(tǒng)確定以后，其自動原理和槍彈參數(shù)也已確定，本文主要從優(yōu)化自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善武器射擊頻率和固有頻率匹配性，提高武器射擊精度進(jìn)行研究。

圖1　射擊精度的影響因素分析

2基于機槍散布精度的頻率匹配準(zhǔn)則

對機槍進(jìn)行動力學(xué)分析時通常將機槍系統(tǒng)近似為一個線性系統(tǒng)，頻域內(nèi)系統(tǒng)受到某一載荷作用時的響應(yīng)：

式中，H（ω）為傳遞函數(shù)，與機槍結(jié)構(gòu)特性有關(guān)；F（ω）為機槍系統(tǒng)射擊時受到的載荷，與機槍射擊頻率有關(guān)。由此，可以看出，機槍的響應(yīng)不僅與機槍結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性有關(guān)，同時與機槍受到的激勵有關(guān)。要使機槍獲得合理的頻率匹配，必須綜合考慮機槍結(jié)構(gòu)和射擊載荷兩個方面。為此，在對機槍進(jìn)行頻率匹配時，可以假定機槍結(jié)構(gòu)不變，通過改變射擊頻率或者射擊頻率不變，通過改變機槍結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性來使機槍達(dá)到合理的頻率匹配。由于本文的研究對象已大量裝備部隊，武器的總體結(jié)構(gòu)不能變化太大，可以對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，因此，可以采用優(yōu)化射擊頻率的方法使機槍達(dá)到合理的頻率匹配。

由振動方程的線性假設(shè)可知，系統(tǒng)激勵對響應(yīng)的作用效果是相互獨立的，即系統(tǒng)的響應(yīng)等于在各激勵載荷分別作用時響應(yīng)的線性疊加。

武器系統(tǒng)單發(fā)射擊時，作用于系統(tǒng)的激勵為：

槍口點某自由度方向的響應(yīng)：

其中，{ fa（t）}為單發(fā)射擊時彈丸出槍口前后瞬間的載荷激勵（包括自動機復(fù)進(jìn)到位撞擊、膛壓、彈丸對槍管的扭矩、槍口沖量及作用于導(dǎo)氣室的作用力）；{ fb（t）}為單發(fā)射擊時自動機后坐到位的撞擊力；xda（t），xdb（t）為單發(fā)射擊時相應(yīng)激勵作用下的槍口點某自由度方向上的位移響應(yīng)；xd?（x，y，z，θx，θy，θz）。

由于射擊時各載荷的作用是相對獨立的，因此，武器系統(tǒng)在連發(fā)射擊時的載荷激勵可用單發(fā)射擊時的載荷表示為（m發(fā)連發(fā)）：

式中，T為載荷作用周期；ΔT為{fb（t）}相對{fa（t）}的遲后時間；為單位階躍函數(shù)

由此可得連發(fā)射擊時槍口點的響應(yīng)：

根據(jù)動態(tài)穩(wěn)定性原理（即武器射擊時允許武器跳動，但必須保持彈丸出槍口瞬間初始狀態(tài)一致）確定單自由度目標(biāo)函數(shù)，使得各發(fā)彈丸在出槍口瞬間在某自由度方向上相對第一發(fā)彈槍口參量的平方和最小。

式中，t0為單發(fā)射擊時彈丸出槍口時間。

該方法可以在武器結(jié)構(gòu)變化不大的情況下，以提高彈丸出槍口點的一致性為目標(biāo)，通過調(diào)整射擊頻率使武器頻率匹配得到改善，從而提高機槍的射擊精度。

3自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度分析

自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)對武器射擊頻率的影響因素很多，如：復(fù)進(jìn)簧的剛度、槍管緩沖簧的剛度、槍機質(zhì)量、槍機框質(zhì)量、槍機緩沖簧剛度和槍機框緩沖簧剛度等自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)都是影響因素，但不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)的影響程度不一樣，靈敏度分析可以發(fā)現(xiàn)哪些參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)影響較大，從而為系統(tǒng)優(yōu)化提供更好的參考，避免優(yōu)化的盲目性，提高優(yōu)化效率。

3.1機槍動力學(xué)仿真模型的建立

機槍虛擬樣機模型必須能夠反映武器的實際射擊狀態(tài)，在建模時，為了提高仿真準(zhǔn)確性并減小計算的工作量，必須對模型進(jìn)行適當(dāng)處理。對于射擊時變形較大的部件（如槍管、槍架）須作為柔性體計算，對于其他剛度較大且變形較小的可作為剛性體對待。對于壓筋、倒角等對仿真影響較小的特征可以刪除，對于運動和受力沒有影響的部件可以進(jìn)行等效質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量處理。機槍虛擬樣機模型的建立包括三維實體建模、約束副的添加、載荷的添加和虛擬樣機的校核等過程［4］，某型12.7 mm大口徑機槍的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2　機槍系統(tǒng)的剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型

3.2靈敏度分析

通過靈敏分析可以了解自動機參數(shù)對武器射擊頻率的影響情況，本文利用前文建立的虛擬樣機模型對自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)，如：槍機框質(zhì)量、槍機質(zhì)量、槍管緩沖簧剛度、復(fù)進(jìn)簧剛度、槍機緩沖簧剛度、槍機框緩沖簧剛度、活塞橫截面積、導(dǎo)氣孔直徑等等，對武器射擊頻率的單因素影響規(guī)律進(jìn)行了仿真研究。部分參數(shù)的仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。由上述仿真結(jié)果可以得出各結(jié)構(gòu)參數(shù)對武器射擊頻率影響的靈敏度，結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，對武器射擊頻率影響最大的結(jié)構(gòu)參數(shù)是導(dǎo)氣孔橫截面積，其次是活塞的有效橫截面積、槍機框質(zhì)量、槍機質(zhì)量和槍機框緩沖簧剛度，欲改變武器的射擊頻率應(yīng)主要考慮上述幾個參數(shù)；復(fù)進(jìn)簧剛度、槍管緩沖簧剛度、槍機緩沖簧剛度、導(dǎo)氣室有效橫截面積以及緩沖簧預(yù)壓力對武器射擊頻率都有一定的影響，但影響不是特別大。

圖3　槍機框質(zhì)量的影響

圖4　活塞橫截面積的影響

表1　結(jié)構(gòu)參數(shù)對武器射擊頻率影響靈敏度

4優(yōu)化結(jié)果分析

通過前文自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)對武器射擊頻率的影響分析，可以確定出對武器射擊頻率靈敏度較高的結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文選擇導(dǎo)氣孔橫截面積、活塞的有效橫截面積、槍機框質(zhì)量、槍機質(zhì)量和槍機框緩沖簧剛度為優(yōu)化變量，利用該機槍動態(tài)響應(yīng)曲線的測試結(jié)果及基于散布精度的射頻優(yōu)化理論準(zhǔn)則，可以確定出該機槍良好頻率匹配關(guān)系時的射擊頻率，由于武器的射擊頻率與自動機運動的最大速度有一定的對應(yīng)關(guān)系，可以根據(jù)射擊頻率確定合適的自動機運動速度，并以此為目標(biāo)采用序列二次規(guī)劃算法（SQP）進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2　機槍結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前后自動機運動的位移、速度－時間曲線如下頁圖5所示，優(yōu)化后武器的射擊頻率較優(yōu)化前降低了65發(fā)/min。利用虛擬樣機模型可以對機槍連發(fā)射擊時槍口的響應(yīng)特性進(jìn)行仿真，參數(shù)優(yōu)化前后槍彈出槍口瞬間偏離平衡位置的仿真結(jié)果對比如下頁表3所示。由表3可以看出，優(yōu)化后每發(fā)彈出槍口瞬間更接近平衡位置，說明結(jié)構(gòu)修改后，武器的射擊頻率與機槍整體結(jié)構(gòu)的固有頻率有更好的匹配關(guān)系，機槍的射向一致性更好。

圖5　自動機的速度－時間曲線對比

5　結(jié)論

本文以武器射擊精度的頻率匹配準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，對自動機結(jié)構(gòu)參數(shù)對武器射擊頻率的影響進(jìn)行了仿真研究，找出導(dǎo)氣孔橫截面積、活塞的有效橫截面積、槍機框質(zhì)量、槍機質(zhì)量和槍機框緩沖簧剛度是影響武器射擊頻率的主要因素，并采用序列二次規(guī)劃算法對上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，仿真結(jié)果表明，武器射擊頻率與機槍固有頻率的匹配關(guān)系得到了優(yōu)化，武器的射向一致性得到明顯提高。

表3　彈丸出槍口瞬時位移的比較（單位：mm）

參考文獻(xiàn)：

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Research on Parameter Optimization of a Certain Gun Automatic Structure Based on Frequency Matching Criteria

ZHANG Jun-nuo，WANG Rui-lin，HUA Bin-bin，KANG Xiao-yong
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Abstract：Firstly the factors that influence the firing accuracy of a certain type of machine gun are analyzed.Then based on the frequency matching criteria and the machine gun dynamic virtual prototype platform which has been established，the cross-area of gas passage and piston，the mass of bolt frame and bolt and the spring stiffness of bolt are main factors on firing frequency through analyzing sensitivity.The sequential quadratic programming optimization method is used to optimize automatic machine structural parameters.The simulation results show that the fired consistency has been improved，which is important for weapon structure optimization and design as well as improving firing accuracy.

Key words：firing frequency，machine gun，automatic，structural optimization

作者簡介：張軍挪（1978-），男，河南商水人，博士。研究方向：結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真及應(yīng)用。

收稿日期：2015-02-26修回日期：2015-04-28

文章編號：1002-0640（2016）03-0093-04

中圖分類號：TJ25

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A