基于ADAMS的單兵手持式榴彈發(fā)射器動(dòng)力學(xué)仿真

任冠逢，赫　雷，黃雪鷹，周克棟

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094; 2.中國(guó)人民解放軍63856 部隊(duì)，吉林 白城　137001)

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基于ADAMS的單兵手持式榴彈發(fā)射器動(dòng)力學(xué)仿真

任冠逢1，赫雷1，黃雪鷹2，周克棟1

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094; 2.中國(guó)人民解放軍63856 部隊(duì)，吉林 白城137001)

摘要：通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外榴彈發(fā)射器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，借鑒國(guó)外某型號(hào)小口徑榴彈發(fā)射器，設(shè)計(jì)了一種發(fā)射25 mm×40 mm小口徑榴彈的單兵手持式高性能榴彈發(fā)射器。運(yùn)用SolidWorks軟件建立了其虛擬樣機(jī)模型，采用經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)理論，通過(guò)VB軟件編程計(jì)算獲得了內(nèi)彈道膛壓及氣室壓力曲線(xiàn)，為后續(xù)仿真提供了載荷曲線(xiàn)。以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際工作情況對(duì)所建立的三維實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和約束添加，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析，獲得了槍機(jī)、槍機(jī)框和槍管在工作過(guò)程中的速度及位移曲線(xiàn)，驗(yàn)證了各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠性。

關(guān)鍵詞：榴彈發(fā)射器； 動(dòng)力學(xué)仿真； 槍機(jī)； 槍管

本文引用格式：任冠逢，赫雷，黃雪鷹，等.基于ADAMS的單兵手持式榴彈發(fā)射器動(dòng)力學(xué)仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):19-23.

Citationformat:RENGuan-feng,HELei,HUANGXue-ying,etal.DynamicsSimulationofIndividualHandheldHighPerformanceGrenadeLauncher[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):19-23.

榴彈發(fā)射器在射擊距離上介于迫擊炮和手榴彈之間，可以彌補(bǔ)兩者射程上的空白區(qū)[1]。單兵手持式榴彈發(fā)射器作為新型壓制性常規(guī)武器，質(zhì)量較輕，威力更大，根據(jù)彈種不同又可對(duì)多種目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

本文所研究的單兵手持式高性能榴彈發(fā)射器口徑為25mm。其體積小、火力猛，有較強(qiáng)的面殺傷威力和一定的破甲能力。在未來(lái)城區(qū)作戰(zhàn)、洞穴作戰(zhàn)等軍事作戰(zhàn)及反恐維穩(wěn)場(chǎng)合中具有重要的意義。

該榴彈發(fā)射器采用槍管短后坐加導(dǎo)氣式混合自動(dòng)原理，利用槍機(jī)回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閉鎖。在火藥燃?xì)夂蛷?fù)進(jìn)簧的作用下完成整個(gè)射擊過(guò)程。本文以動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS作為仿真平臺(tái)，將虛擬樣機(jī)技術(shù)運(yùn)用到榴彈發(fā)射器動(dòng)力學(xué)研究中，建立了其虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)仿真計(jì)算確定了主要機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，得出了自動(dòng)機(jī)、槍管等構(gòu)件的速度、位移、受力曲線(xiàn)，為該榴彈發(fā)射器的后續(xù)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)[2-3]。

1　自動(dòng)機(jī)工作原理

自動(dòng)機(jī)的工作，由原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)時(shí)依次控制各工作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作完成。各主要工作機(jī)構(gòu)動(dòng)作順序及其與原動(dòng)件的關(guān)系，可以用自動(dòng)武器自動(dòng)動(dòng)作循環(huán)簡(jiǎn)圖表示[4]，如圖1。

圖1　榴彈發(fā)射器自動(dòng)機(jī)動(dòng)作循環(huán)簡(jiǎn)圖

后坐過(guò)程為：擊針打擊底火，火藥燃?xì)庾龉?，槍管同槍機(jī)框一起后坐[5]。其中槍管后坐距離為15mm，之后在槍管復(fù)進(jìn)簧的作用下返回初始位置。而槍機(jī)框一直后坐到與下機(jī)匣撞擊為止，其后坐距離為214mm。當(dāng)槍機(jī)框、槍管共同后坐了7mm時(shí)，由于導(dǎo)氣室火藥燃?xì)獾淖饔檬沟脴寵C(jī)框速度更大，這時(shí)槍機(jī)框和槍機(jī)有了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即在7mm處，槍機(jī)開(kāi)始了自由行程，由于槍機(jī)與槍機(jī)框同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使得槍機(jī)與槍機(jī)框的相對(duì)速度不大，所以其自由行程距離為12mm。在槍機(jī)框運(yùn)動(dòng)了19mm后，開(kāi)始了開(kāi)鎖過(guò)程，到30mm時(shí)完全開(kāi)鎖。之后槍機(jī)框帶動(dòng)槍機(jī)繼續(xù)后坐。到163mm時(shí)，彈殼撞擊剛性?huà)仛ねΡ粧伋?。到達(dá)173mm時(shí)，槍機(jī)框上的緩沖器首先接觸到下機(jī)匣，在緩沖器簧的作用下，槍機(jī)框繼續(xù)后坐直到撞擊下機(jī)匣，完成整個(gè)后坐過(guò)程。

復(fù)進(jìn)動(dòng)作：撞擊下機(jī)匣反跳，在復(fù)進(jìn)簧、擊錘簧和緩沖器簧的作用下開(kāi)始復(fù)進(jìn)。緩沖器簧作用距離為41mm，之后緩沖器簧便不再起作用。當(dāng)槍機(jī)框向前復(fù)進(jìn)了50mm后，槍機(jī)的下凸筍開(kāi)始推彈上膛。而當(dāng)其復(fù)進(jìn)了114mm后，擊錘與阻鐵扣合，擊錘簧不再起作用，槍機(jī)框只在復(fù)進(jìn)簧的作用下復(fù)進(jìn)。當(dāng)向前運(yùn)動(dòng)了198mm后，彈已被完全推進(jìn)槍膛，之后槍機(jī)框繼續(xù)復(fù)進(jìn)9mm使槍機(jī)完成閉鎖，再繼續(xù)復(fù)進(jìn)7mm，走完閉鎖后的自由行程。

2　建立榴彈發(fā)射器虛擬樣機(jī)模型

2.1簡(jiǎn)化模型的建立與物理參數(shù)的設(shè)定

用SolidWorks軟件建立榴彈發(fā)射器的三維模型，并作適當(dāng)簡(jiǎn)化，然后將其保存為.txt格式導(dǎo)入到ADAMS中，定義每個(gè)零件的名稱(chēng)、材料、顏色等相關(guān)屬性。建模過(guò)程中，在考慮構(gòu)件之間運(yùn)動(dòng)及受力作用的前提下，遵循從簡(jiǎn)到繁，由局部到整體的原則進(jìn)行分析[6]。模型導(dǎo)入ADAMS后先對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行命名，并賦予不同的材料或密度，修改彈性模量、泊松比和顏色等特性。圖2為全槍簡(jiǎn)化后的模型。

圖2　全槍簡(jiǎn)化后的模型

2.2添加約束副

在對(duì)榴彈發(fā)射器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，零件間所有的接觸約束均為實(shí)體接觸，所有零件均為剛體。具體約束如表1所示。

2.3添加驅(qū)動(dòng)

對(duì)于武器發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的彈簧力，可以通過(guò)設(shè)置彈簧剛度系數(shù)、初始長(zhǎng)度、預(yù)壓力等實(shí)現(xiàn)。對(duì)于各種撞擊力，可以在ADAMS中通過(guò)設(shè)置碰撞剛度、侵入深度、阻尼等系數(shù)調(diào)整，使之符合設(shè)計(jì)參數(shù)[7]。對(duì)于火藥燃?xì)獾膲毫?，包括槍管膛壓和?dǎo)氣室壓力，可采用經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)理論，通過(guò)VB軟件編程計(jì)算獲得。之后將其保存為T(mén)estData(*.*)文件格式，并導(dǎo)入ADAMS中生成Spline曲線(xiàn)，通過(guò)AKISPL函數(shù)調(diào)用樣條曲線(xiàn)，能得到膛壓曲線(xiàn)和導(dǎo)氣室氣體壓力曲線(xiàn)。圖3及圖4分別為膛壓和導(dǎo)氣室內(nèi)氣體壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

表1　仿真過(guò)程約束

表2　內(nèi)彈道及導(dǎo)氣室計(jì)算參數(shù)

圖3　槍管膛壓曲線(xiàn)

圖4　導(dǎo)氣室壓力曲線(xiàn)

3　動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與分析

3.1槍機(jī)框運(yùn)動(dòng)特性分析

槍機(jī)框帶動(dòng)槍機(jī)完成開(kāi)鎖、閉鎖、后坐、復(fù)進(jìn)全過(guò)程[8]。圖5是槍機(jī)框的速度及位移曲線(xiàn)圖。

圖5　槍機(jī)框速度、位移曲線(xiàn)

圖5中曲線(xiàn)1表示槍機(jī)框的速度，曲線(xiàn)2表示槍機(jī)框的位移。槍機(jī)框在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性數(shù)據(jù)如表3所示。從曲線(xiàn)1可以得知：槍機(jī)框在5.14ms之前，即點(diǎn)1之前，速度增長(zhǎng)較快，這是由于槍機(jī)框在槍管的膛壓和導(dǎo)氣室壓力雙重作用下后坐的結(jié)果。在點(diǎn)1處，5.14ms時(shí)，槍機(jī)框速度為7.6m/s，位移為26mm，此刻槍機(jī)框速度突變，速度由7.6m/s迅速減小到6.9m/s，這是由于槍機(jī)框帶動(dòng)槍機(jī)一起后坐，一部分能量轉(zhuǎn)化為槍機(jī)速度。同槍機(jī)一樣，在點(diǎn)2處，即35.2ms時(shí)，曲線(xiàn)再一次出現(xiàn)微小的驟減，因?yàn)榇藭r(shí)槍機(jī)框后坐緩沖器開(kāi)始起作用，此刻槍機(jī)框的位移為189mm，其速度由3.9m/s驟減為2.5m/s，之后曲線(xiàn)1的變化速度也明顯加快。在點(diǎn)3處，即39.6ms時(shí)，槍機(jī)框速度為1.2m/s，位移為214mm，此時(shí)曲線(xiàn)從負(fù)值突然變?yōu)檎?，這是由于槍機(jī)框后坐到位時(shí)撞擊下機(jī)匣反彈所致，從曲線(xiàn)上看出槍機(jī)框后坐到位的速度約為1.2m/s，撞擊反彈后，速度約為1m/s。之后槍機(jī)在槍機(jī)框的帶動(dòng)下開(kāi)始復(fù)進(jìn)，在點(diǎn)4處，即102.6ms時(shí)，此刻槍機(jī)框的速度為4.1m/s，位移為0，因?yàn)榇丝糖€(xiàn)驟然與橫軸相交，表明槍機(jī)框已然復(fù)進(jìn)到位，但由于槍機(jī)框與節(jié)套存在撞擊，致使槍機(jī)框出現(xiàn)輕微的反方向運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)5處表明槍機(jī)框已經(jīng)反跳運(yùn)動(dòng)到最大位置，其反跳運(yùn)動(dòng)距離為3mm，小于自由行程的距離。之后在復(fù)進(jìn)簧作用下槍機(jī)框再一次復(fù)進(jìn)，并與節(jié)套接觸，不再分離，槍機(jī)框在110ms左右已完全復(fù)進(jìn)到位。

曲線(xiàn)2為槍機(jī)框的位移曲線(xiàn)，在點(diǎn)6處，約39.6ms時(shí)(槍機(jī)框速度、位移大小同點(diǎn)3處)，曲線(xiàn)2改變方向，這是因?yàn)闃寵C(jī)框已后坐到位，之后在復(fù)進(jìn)簧的作用下，向前復(fù)進(jìn)，從曲線(xiàn)2可以看出，約在102.6ms處，曲線(xiàn)2出現(xiàn)輕微的振蕩，這是由于槍機(jī)框與節(jié)套的撞擊所致，在110ms左右，即點(diǎn)7處，曲線(xiàn)2變得平直，表明槍機(jī)框已完全復(fù)進(jìn)到位。

表3　槍機(jī)框運(yùn)動(dòng)特性數(shù)據(jù)

3.2槍機(jī)運(yùn)動(dòng)特性分析

槍機(jī)是自動(dòng)武器的核心部件，是保證開(kāi)閉鎖、抽殼、拋殼等動(dòng)作順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素[8]。圖6所示為是發(fā)射一發(fā)彈的完整射擊過(guò)程中槍機(jī)的速度、位移曲線(xiàn)。

圖6中曲線(xiàn)1及曲線(xiàn)2分別表示槍機(jī)的位移曲線(xiàn)和速度曲線(xiàn)。槍機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性數(shù)據(jù)如表4所示。從曲線(xiàn)1上可以看出，在點(diǎn)1處，約為3.5ms時(shí)，槍機(jī)位移為15mm，此時(shí)速度曲線(xiàn)正好與橫軸相交，即為曲線(xiàn)2的點(diǎn)6位置，所以速度為0，曲線(xiàn)在此時(shí)出現(xiàn)振蕩，這是由于槍管已經(jīng)后坐到位，開(kāi)始復(fù)進(jìn)回到原位，而此時(shí)槍機(jī)還未完全開(kāi)鎖，所以槍機(jī)隨著槍管在短暫的時(shí)間段內(nèi)開(kāi)始反方向(向后)運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)2處，約為5.14ms時(shí)，槍機(jī)位移為10mm，速度為6.1m/s，從曲線(xiàn)可看出，槍機(jī)完全開(kāi)鎖并隨著槍機(jī)框開(kāi)始向后運(yùn)動(dòng)。約在39.6ms時(shí)，即在點(diǎn)3處，此時(shí)槍機(jī)位移為198mm，速度為1.2m/s，曲線(xiàn)1再一次改變方向，這是因?yàn)闃寵C(jī)與槍機(jī)框已經(jīng)后坐到位，在復(fù)進(jìn)簧的作用下，向前復(fù)進(jìn)，從曲線(xiàn)1可以看出，在點(diǎn)4處，約97.3ms時(shí)，槍機(jī)回到起始位置，所以其位移為0mm，此刻的瞬時(shí)速度為4.3m/s，之后，曲線(xiàn)1立刻變得平直，速度衰減為0，表明槍機(jī)復(fù)進(jìn)到位。

圖6　槍機(jī)速度、位移曲線(xiàn)

曲線(xiàn)2表示槍機(jī)的速度曲線(xiàn)。在點(diǎn)5處，約1.8ms時(shí)，出現(xiàn)第一個(gè)波谷，此刻槍機(jī)的位移為9mm，速度為6.5m/s，之后速度開(kāi)始逐漸減小，約在3.7ms時(shí)，即點(diǎn)6處，曲線(xiàn)與橫軸相交，表明槍機(jī)速度變?yōu)?，位移為15mm，之后速度變?yōu)檎担@是因?yàn)闃寵C(jī)未完全開(kāi)鎖，槍管復(fù)進(jìn)時(shí)帶動(dòng)槍機(jī)有短暫的反向運(yùn)動(dòng)。從曲線(xiàn)2可知，在點(diǎn)7處，即5.1ms時(shí)，槍機(jī)再一次反向運(yùn)動(dòng)，表明此刻槍機(jī)已經(jīng)完全開(kāi)鎖，并由槍機(jī)框帶動(dòng)槍機(jī)開(kāi)始后坐。而在此時(shí)，槍機(jī)框帶動(dòng)槍機(jī)，使得槍機(jī)速度在極短的時(shí)間內(nèi)從正值變?yōu)樨?fù)值，所以曲線(xiàn)2在區(qū)域8處出現(xiàn)了振動(dòng)，速度迅速到達(dá)峰谷約7.6m/s后，槍機(jī)速度又迅速地減小到6.9m/s。在點(diǎn)9處，約35.2ms時(shí)，槍機(jī)位移為173mm，速度為3.9m/s，曲線(xiàn)再一次出現(xiàn)微小的驟減，其速度減小到2.5m/s，這是因?yàn)榇藭r(shí)槍機(jī)框后坐緩沖器開(kāi)始起作用，從曲線(xiàn)2上也可以看出槍機(jī)速度曲線(xiàn)從35.2ms到39.6ms之間變化速度較快。在39.6ms處，即在點(diǎn)10處(與點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的槍機(jī)速度和位移數(shù)據(jù)一樣)，槍機(jī)曲線(xiàn)從負(fù)值突然變?yōu)檎担@是由于槍機(jī)框后坐到位時(shí)撞擊機(jī)匣反彈所致。之后槍機(jī)在槍機(jī)框的帶動(dòng)下開(kāi)始復(fù)進(jìn)，直到97.3ms時(shí)，即點(diǎn)11處(同點(diǎn)4)，曲線(xiàn)驟然與橫軸重合，表明槍機(jī)復(fù)進(jìn)到位。

表4　槍機(jī)運(yùn)動(dòng)特性數(shù)據(jù)

3.3槍管運(yùn)動(dòng)特性分析

槍管是自動(dòng)武器的主要構(gòu)件之一。槍管通過(guò)火藥燃?xì)夂吞啪€(xiàn)賦予彈頭規(guī)定的初速和保證飛行穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)速。本文中榴彈發(fā)射器采用了槍管短后坐加導(dǎo)氣式的自動(dòng)原理，彈被擊發(fā)后，槍管會(huì)隨著自動(dòng)機(jī)向后運(yùn)動(dòng)一段距離，隨后在槍管復(fù)進(jìn)簧的作用下又回到初始位置。運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，所以有必要對(duì)槍管運(yùn)動(dòng)分析。圖7為槍管的速度和位移曲線(xiàn)。

圖7　槍管速度、位移曲線(xiàn)

圖7中曲線(xiàn)1為槍管的位移曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2為槍管的速度曲線(xiàn)。兩條曲線(xiàn)同樣在0～18.7ms之間，即點(diǎn)1之前，兩條曲線(xiàn)振蕩比較明顯，是由于單兵手持式榴彈發(fā)射器為導(dǎo)氣式加槍管短后坐原理，在彈底壓力作用下槍管后坐，后坐最大距離為15mm，后坐最大速度為6.4m/s，后坐到位后在槍管復(fù)進(jìn)簧的作用下開(kāi)始復(fù)進(jìn)，復(fù)進(jìn)到位后與端蓋撞擊，故而出現(xiàn)曲線(xiàn)的振蕩，從圖7可以得知，槍管與端蓋的撞擊次數(shù)為3次，在第三次撞擊后便不再?gòu)楅_(kāi)。

4　結(jié)論

本文建立了某單兵手持式高性能榴彈發(fā)射器虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了槍機(jī)框、槍機(jī)、槍管的速度與位移曲線(xiàn)。通過(guò)觀察分析仿真動(dòng)畫(huà)和所得仿真曲線(xiàn)，可知該榴彈發(fā)射器開(kāi)閉鎖動(dòng)作可靠，后坐速度適中，復(fù)進(jìn)順利，槍管短后坐動(dòng)作到位，各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，證明了所設(shè)計(jì)的模型是合理可靠的。分析研究結(jié)果為單兵手持式榴彈發(fā)射器的進(jìn)一步研究提供了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也可為今后的相關(guān)研究提供較好的參照思路和途徑。

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(責(zé)任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.005

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-02-15

作者簡(jiǎn)介：任冠逢(1990—)，男，碩士研究生，主要從事新概念兵器技術(shù)研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ202

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)06-0019-05

DynamicsSimulationofIndividualHandheldHighPerformanceGrenadeLauncher

RENGuan-feng1,HELei1,HUANGXue-ying2，ZHOUKe-dong1

(1.SchoolofMechanicalEngineering，NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China; 2.TheNo. 63856thTroopofPLA,Baicheng137001,China)

Abstract:The current development status and trend of grenade launcher both domestic and overseas were analyzed. A high performance grenade launcher firing 25 mm×40 mm small caliber grenade was designed by refering to an oversea small caliber grenade lancher. Its virtual prototype model was established by SolidWorks. With classical interior ballistics theory and by VB software, the bore pressure and the gas chamber pressure were obtained, which provided the load curve for the dynamic simulation. On the basis of dynamics theory of multi-body system and with the combination of the practical working conditions, the logical simplification and the constraints application of the established 3D model of the virtual prototype of the deigned handheld grenade launcher were conducted. Through dynamics simulated and analysis, the velocity and displacement curves of bolt, bolt carrier and the barrel were obtained, and the results verified the reliability of the mechanisms.

Key words:grenade launcher; dynamics simulation; bolt; barrel