機(jī)槍沖擊作用下的人體動力學(xué)響應(yīng)研究

張本軍， 王瑞林， 鄭立評， 李永建

(軍械工程學(xué)院， 石家莊 050003)

機(jī)槍沖擊作用下的人體動力學(xué)響應(yīng)研究

張本軍， 王瑞林， 鄭立評， 李永建

(軍械工程學(xué)院， 石家莊 050003)

機(jī)槍沖擊作用下的人體響應(yīng)是機(jī)槍人機(jī)工效的重要組成部分，需進(jìn)行研究；利用人體運(yùn)動學(xué)軟件和ADAMS建立多剛體人體的機(jī)槍人槍系統(tǒng)模型；為得到驗(yàn)證所需數(shù)據(jù)，進(jìn)行了射擊時槍口點(diǎn)響應(yīng)試驗(yàn)；通過對自動機(jī)和槍口點(diǎn)響應(yīng)的校核，驗(yàn)證了模型的可信性；通過對人槍接觸位置和人體關(guān)節(jié)響應(yīng)的分析，得到了一些列的結(jié)論，這些結(jié)論可以為機(jī)槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供指導(dǎo)，也可為人槍相互作用分析提供參考。所使用的建模方法和思路，則為其他武器進(jìn)行人機(jī)相互作用分析提供了新途徑。

機(jī)槍； 人槍系統(tǒng)； 多剛體； 動力學(xué)響應(yīng)； 仿真

人槍之間相互作用的分析是槍械人機(jī)工效分析的最重要組成部分，是發(fā)揮槍械最大效能以及提高戰(zhàn)斗力的有效途徑。在國內(nèi)，包建東等[1]利用高速攝影實(shí)驗(yàn)和Hanavan人體模型，通過等效質(zhì)量、等效彈簧阻尼研究步槍立姿無依托射擊狀態(tài)下的人槍系統(tǒng)Lagrangian方程；王亞平等[2]利用ADAMS建立了多剛體的步槍立姿射擊人槍系統(tǒng)模型，研究了發(fā)射過程中人體受力狀況；洪亞軍等[3]借鑒該模型，研究了榴彈發(fā)射器多學(xué)科優(yōu)化的問題；王長庚等[4]將人體等效成質(zhì)量塊，人槍之間等效成彈簧阻尼，研究了步槍立姿射擊時導(dǎo)氣式和自由槍機(jī)式兩種后坐方式對后坐作用的影響；姚建軍等[5-7]將人體簡化為集總參數(shù)，分別研究了機(jī)槍槍口點(diǎn)響應(yīng)、機(jī)槍結(jié)構(gòu)參數(shù)對槍口點(diǎn)響應(yīng)影響以及轉(zhuǎn)管機(jī)槍槍口點(diǎn)效應(yīng)的問題；楊曉玉等[8]則利用LifeMod和ADAMS建立了手槍立姿射擊模型，研究手槍發(fā)射問題。在國外，能夠查閱到的文獻(xiàn)較少，Hall等[9]為研究不同生產(chǎn)廠商的彈藥、槍型對射擊比賽用步槍后坐力的影響，研制了一套測量比賽用槍后坐力的裝置；Lee等[10-12]利用LifeMod軟件分析了K2步槍射擊時載荷在身體的傳動途徑?？偟恼f來，目前人槍相互作用的研究更注重于人對槍械射擊精度影響的研究，占到能查到文獻(xiàn)的85%以上，而對槍械射擊過程中對人體的沖擊情況的研究主要集中在立姿射擊武器上，極少出現(xiàn)在機(jī)槍研究的領(lǐng)域。

實(shí)際上，人對槍械精度的影響體現(xiàn)了槍對人的適應(yīng)性，而槍械對人體沖擊作用則體現(xiàn)了人對槍械的適應(yīng)性，兩者是不可分割的，都是槍械人機(jī)工效分析的重要組成部分，因此，需要分析槍械對人體的沖擊作用?；诖耍疚睦萌梭w運(yùn)動學(xué)軟件和ADAMS建立某型通用機(jī)槍的多剛體人槍系統(tǒng)模型，通過仿真，計(jì)算機(jī)槍沖擊作用下的人體動力學(xué)響應(yīng)，以期得到有益于槍械結(jié)構(gòu)改進(jìn)和設(shè)計(jì)的結(jié)論，同時，也希望得到一個用于槍械人槍相互作用分析的方法，將射擊過程中槍對人體沖擊的研究擴(kuò)展到機(jī)槍領(lǐng)域。

1 人槍系統(tǒng)模型的建立

1.1 機(jī)槍發(fā)射系統(tǒng)模型

機(jī)槍發(fā)射系統(tǒng)模型如圖1所示，機(jī)槍射擊時，架在槍架上，與上架固結(jié)，通過前后架腿的彈性變形吸收部分后坐能量，前后架腿與駐鋤固結(jié)，駐鋤插在土壤中，與地面之間發(fā)生相互作用(圖1中A所示)；機(jī)槍的槍托(槍托固結(jié)在機(jī)匣上)抵在人體肩部，握把(握把固結(jié)在機(jī)匣上)被射手右手緊握，后架腿被射手緊握，在這三處與人體之間發(fā)生相互作用，(圖1中B所示)；人體采用臥姿射擊方式，與地面發(fā)生相互作用，(圖1中C所示)。

圖1 機(jī)槍發(fā)射系統(tǒng)模型

射擊過程中，發(fā)射藥爆燃產(chǎn)生高溫高壓火藥氣體推動彈丸向前運(yùn)動，開始階段，槍機(jī)與槍管配合閉鎖槍膛，防止火藥氣體向后噴出，火藥氣體產(chǎn)生的槍膛合力Fpt作用在機(jī)匣上；當(dāng)彈丸飛過導(dǎo)氣孔后，火藥燃?xì)膺M(jìn)入導(dǎo)氣室，向后產(chǎn)生氣室壓力Fc帶動槍擊框沿機(jī)匣導(dǎo)軌向后運(yùn)動，運(yùn)動一段距離后，通過開閉鎖曲線槽帶動槍機(jī)開鎖及向后運(yùn)動，在此過程中壓縮復(fù)進(jìn)簧儲存復(fù)進(jìn)能量；與此同時，進(jìn)入導(dǎo)氣室的火藥燃?xì)庀蚯白饔?，產(chǎn)生氣室壓力反力Ff作用于槍管；后坐結(jié)束后，在復(fù)進(jìn)簧的作用下開始復(fù)進(jìn)，推彈進(jìn)膛重復(fù)動作；整個運(yùn)動過程中，均有各種阻力的作用，等效為阻力Fr。

1.2 人槍系統(tǒng)模型建立

人槍系統(tǒng)模型是人槍相互作用分析的基礎(chǔ)，目前用于人槍相互作用分析人體模型主要有三種類型，第一種是集總參數(shù)模型，將人體簡化成彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)[13-15]，主要研究人體對槍械射擊精度的影響，多用于機(jī)槍系統(tǒng)；第二種是依據(jù)多剛體理論建立多剛體人體模型，依據(jù)質(zhì)量等效的原則將人體各部位簡化為球體、橢球體、圓錐體等簡單形狀，但對肌肉、關(guān)節(jié)、軟組織的處理比較粗糙[16-17]；第三種類型是利用人體運(yùn)動學(xué)仿真軟件建立人體，但多用于立姿射擊武器，能查到的文獻(xiàn)較少。

本文利用人體運(yùn)動學(xué)仿真軟件LifeMod建立多剛體人體模型，它可以通過給定人體的性別、身高、體重及年齡自動計(jì)算人體各部分的幾何屬性和質(zhì)量屬性。本文依據(jù)“陸軍裝備人體特征參數(shù)需求分析及數(shù)據(jù)研究”課題的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選定我國男性士兵的身高、體重以及年齡的平均值(身高1 709 mm，體重64 kg，年齡21歲)作為輸入，建立包含頭部、頸部、軀干上部、軀干中部、軀干下部、左右肩胛、左右大臂、左右小臂、左右手、左右大腿、左右小腿和左右腳這19個剛體的人體模型。關(guān)節(jié)選用LifeMod中基于對真實(shí)的碰撞假人的物理測量建立的Hybrid Ⅲ關(guān)節(jié)類型[18]，該類型關(guān)節(jié)包含非線性剛度系數(shù)、阻尼和摩擦力，包含有滯后作用的阻止關(guān)節(jié)運(yùn)動的剛度系數(shù)，建立的人體系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 人體模型

機(jī)槍系統(tǒng)是利用ADAMS建立的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，為考慮槍架和槍管的彈性變形對射擊精度的影響，模型中前、后架腿和槍管利用ANSYS進(jìn)行了柔性化處理。

為得到射手射擊時初始姿態(tài)，利用射手已知信息構(gòu)建完整約束進(jìn)行求解，其主要過程是：將建立好的人體模型平放到地面上，鉛垂軸的方向平行于槍管軸線方向。則此時右肩胛、右手、左手和頭部的廣義坐標(biāo)可以求得為

(1)

在射手準(zhǔn)備射擊時，人體肩部、右手、左手、頭部這四個部位的位置和方向均為確定的(這些確定位置即為提到的已知信息)，則可以得到此時這四個剛體的廣義坐標(biāo)為

(2)

分別對這四個剛體添加完整約束

(3)

將人體初始姿態(tài)賦予模型；駐鋤與地面之間采用等效的彈簧阻尼系統(tǒng)模擬；機(jī)槍可以相對于人體在三個方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，因此在抵肩點(diǎn)處用球副來表征機(jī)匣組件與右肩胛之間的關(guān)系；在左手和右手處，由于握緊的關(guān)系，可用ADAMS中剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)均很大的襯套力單元來完成人體模型和槍械模型的連接；人體與地面之間為接觸副；得到的人槍系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 臥姿射擊時人槍系統(tǒng)模型

2 機(jī)槍射擊時槍口點(diǎn)響應(yīng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證所建立人槍系統(tǒng)的可信性，需要對模型進(jìn)行校核，在以往輕武器虛擬樣機(jī)驗(yàn)證上，一般只對自動機(jī)的情況進(jìn)行驗(yàn)證，本文則對自動機(jī)和槍口點(diǎn)響應(yīng)兩個方面進(jìn)行了驗(yàn)證。自動機(jī)數(shù)據(jù)可以通過查找該通用機(jī)槍設(shè)計(jì)定型文件獲得。槍口點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)則需要通過測試得到。

試驗(yàn)的測試系統(tǒng)由兩個電渦流傳感器、信號放大器、磁帶記錄儀和計(jì)算機(jī)組成，設(shè)備之間的連接關(guān)系如圖4所示。兩個電渦流傳感器測試的分別是槍口的縱向位移響應(yīng)和橫向位移響應(yīng)。這里規(guī)定：槍口的縱向位移是指射擊過程中槍口點(diǎn)上下方向的振動位移，以向上的方向?yàn)檎?；橫向位移是指射擊過程中槍口點(diǎn)左右方向的位移，以向右的方向?yàn)檎?/p>

圖4 測試系統(tǒng)示意圖

槍口點(diǎn)響應(yīng)試驗(yàn)的外部條件為：

(1) 試驗(yàn)場地，室內(nèi)靶場射擊過程中受環(huán)境條件影響較??；

(2) 土壤條件，機(jī)槍架設(shè)在三個土箱子中，土箱子在試驗(yàn)的前一天灑過水，土壤表現(xiàn)為較強(qiáng)的彈性特性；

(3) 射擊姿勢，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場照片

3 人槍系統(tǒng)模型的校核

對所建立的模型添加主動力即可進(jìn)行仿真計(jì)算，這些主動力包括槍膛合力、氣室壓力、抽殼阻力以及彈帶阻力[19]。分別進(jìn)行單發(fā)和三連發(fā)計(jì)算，得到相應(yīng)的仿真結(jié)果，用于與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。計(jì)算的起始時刻是自動機(jī)處于待發(fā)狀態(tài)。

3.1 自動機(jī)校核

對機(jī)槍進(jìn)行三連發(fā)的計(jì)算，可以得到自動機(jī)的運(yùn)動速度，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較表

由表1可知，三連發(fā)時自動機(jī)的最大后坐速度與試驗(yàn)的平均值的相對誤差分別為4.03%、4.62%和3.55%，后坐到位時的速度與試驗(yàn)平均值的相對誤差分別為2.33%、4.00%和1.67%，復(fù)進(jìn)到位時的速度與試驗(yàn)平均值的相對誤差分別為3.02%、4.54%和3.60%。可以看出，自動機(jī)的運(yùn)動速度與試驗(yàn)結(jié)果在特征點(diǎn)處吻合的比較好。

3.2 槍口點(diǎn)響應(yīng)校核

提取槍口點(diǎn)響應(yīng)仿真結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，由于篇幅所限，這里僅比較單發(fā)射擊時縱向位移，如圖6所示。

由于在試驗(yàn)的過程中，影響的因素太多，且多為隨機(jī)因素，而在模型中僅僅考慮的是一種理想的狀況，因此想要得到與機(jī)槍試驗(yàn)結(jié)果完全一致的結(jié)果是不可能的，只要所得結(jié)果大體反映機(jī)槍的運(yùn)動規(guī)律、數(shù)值不發(fā)生數(shù)量級的差距就可以認(rèn)為所建模型是可信的。

由圖6可知，槍口點(diǎn)縱向位移響應(yīng)的運(yùn)動規(guī)律基本上是相同的，數(shù)值相差也較小。試驗(yàn)曲線中1處之前的波峰波谷是在聽到開始的口令后，握緊以及抵緊槍械產(chǎn)生的，這在計(jì)算過程中是沒有考慮的，所以計(jì)算曲線上沒有這個波峰、波谷；1處是火藥氣體壓力作用于機(jī)槍，使得機(jī)槍向上跳動產(chǎn)生的波峰；2處是氣室壓力反力作用于機(jī)槍，在抑制槍膛合力產(chǎn)生向上的跳動后產(chǎn)生的波谷；3處是自動機(jī)后坐到位撞擊機(jī)匣，使得機(jī)槍向上跳動產(chǎn)生的波峰，且均為最大的波峰；4是自動機(jī)再次復(fù)進(jìn)到位后，碰撞機(jī)匣，使得機(jī)槍上下跳動產(chǎn)生的波谷；2、3之間的波峰波谷是自動機(jī)后坐過程中槍架自由振動產(chǎn)生的；3、4之間的波峰波谷為自動機(jī)復(fù)進(jìn)過程中自由振動產(chǎn)生的。

(a)

(b)

通過自動機(jī)校核和槍口點(diǎn)響應(yīng)校核可以認(rèn)為，建立的人槍系統(tǒng)模型是滿足工程計(jì)算需要，是可信的，可以用于機(jī)槍沖擊作用下人體動力學(xué)響應(yīng)研究。

4 機(jī)槍沖擊作用下人體動力學(xué)響應(yīng)分析

在驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上，可以通過仿真求得機(jī)槍射擊過程中人體的響應(yīng)狀況，這些響應(yīng)包括：人體與機(jī)槍接觸部位的力的大??；人體各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度、所受力的大小以及所受力矩的大小；人體各段肢體運(yùn)動的位移、速度、加速度等。對于機(jī)槍的設(shè)計(jì)而言，人體與機(jī)槍接觸部位的力的大小是設(shè)計(jì)者比較關(guān)心的問題之一，所以本文將這些接觸部位所受力的大小予以列出。在人體各部位上，有多個響應(yīng)的值是人們比較關(guān)心的問題，其中頭部關(guān)節(jié)、胸部關(guān)節(jié)以及腰部關(guān)節(jié)的受力狀況是人槍相互作用時槍械對人體作用的典型代表。

4.1 人槍接觸位置處人體受力響應(yīng)

利用ADAMS自身的后處理器提取出右手與握把之間力的大小，如圖7所示。

提取左手與機(jī)槍后架之間力的大小，結(jié)果如圖8所示；提出槍托與右肩胛之間約束力大小，結(jié)果如圖9所示。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

由圖8～圖9可知：

(1) 在機(jī)槍三連發(fā)的射擊過程中，在各個時刻點(diǎn)，三個接觸位置均有力的作用，在槍膛合力作用、氣室壓力反力作用和后坐到位碰撞時刻變化幅值較大，其他時刻則是伴隨著機(jī)槍自由振動而受力；

(2) 機(jī)槍復(fù)進(jìn)到位后的一小段時間內(nèi)，各接觸位置所受到的幅值變化劇烈，這時由于在這一段時間內(nèi)機(jī)槍所受外載荷大小方向急劇變化造成的；

(3) 機(jī)槍射擊過程中，抵肩處所受到的力最大，特別是x方向的受力，這是由于機(jī)槍槍尾沒有緩沖裝置，致使機(jī)槍所受載荷直接作用于身體造成的，所以在大口徑機(jī)槍的設(shè)計(jì)過程中需增加槍尾緩沖裝置以提高射手射擊舒適性；

(a)

(b)

(c)

(4) 各接觸部位均在子彈被擊發(fā)后，槍膛合力達(dá)到最大值的時刻達(dá)到最大值的時刻達(dá)到最大值，且數(shù)值較大，特別是抵肩力的數(shù)值，相對于槍膛合力沒有減少多少，說明彈性槍架在減小機(jī)槍射擊過程中對人體的沖擊上作用有限，這就需要在大口徑機(jī)槍設(shè)計(jì)過程中，不能僅僅考慮彈性槍架這一種吸收后坐能量的方式，還需要考慮其他反后坐方式；

(5) 抵肩力在自動機(jī)后坐到位時幅值同樣較大，從圖4中可以得到，后坐到位的碰撞對槍口點(diǎn)的振動同樣影響較大，說明后坐到位的碰撞不僅影響槍口點(diǎn)的振動進(jìn)而影響射擊精度，還影響射手射擊的舒適性，因此，在設(shè)計(jì)槍械的過程中，應(yīng)將后坐到位的速度定位一個設(shè)計(jì)指標(biāo)，以便減小后坐到位的速度，同時可以增加自動機(jī)后坐緩沖裝置。

4.2 人體關(guān)節(jié)受力響應(yīng)

利用Lifemod的后處理模塊提取出頭部關(guān)節(jié)、胸部關(guān)節(jié)和腰部關(guān)節(jié)的受力情況，結(jié)果分別如圖10～圖12所示。需要說明的是，LifeMod后處理器中提取人體關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)時使用的是各關(guān)節(jié)的局部坐標(biāo)系，即研究人體所使用的冠狀軸、鉛垂軸和矢狀軸組成的坐標(biāo)系，其中，冠狀軸是過關(guān)節(jié)中心點(diǎn)并垂直于將身體分為左右兩部分的平面的軸；鉛垂軸是過關(guān)節(jié)中心點(diǎn)并垂直于將身體分為上下兩部分的平面的軸；矢狀軸是過關(guān)節(jié)中心點(diǎn)并垂直于將身體分為前后兩部分的平面的軸。

這個坐標(biāo)系并不與整體坐標(biāo)系相平行，兩者之間有一定的夾角，且這個夾角值在計(jì)算過程中隨著人體各關(guān)節(jié)運(yùn)動的變化而不斷地變化。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

由圖10～圖11可知：

(1) 在機(jī)槍三連發(fā)的射擊過程中，在各個時刻點(diǎn)，各關(guān)節(jié)均有力的作用，在槍膛合力作用、氣室壓力反力作用和后坐到位碰撞時刻變化幅值較大，其他時刻則是伴隨著機(jī)槍自由振動而受力；

(2) 身體各關(guān)節(jié)達(dá)到極值的時間并不同步，在所列出的三個受力關(guān)節(jié)中，胸部關(guān)節(jié)最先達(dá)到極值，而頭部節(jié)點(diǎn)和腰部節(jié)點(diǎn)達(dá)到極值的時間相對滯后一點(diǎn)，這說明載荷在身體內(nèi)部是傳播的，距機(jī)槍越近的關(guān)節(jié)越早達(dá)到極值點(diǎn)；

(3) 身體各關(guān)節(jié)達(dá)到最大值的時刻在機(jī)槍第一次后坐到位后一小段時間內(nèi)，而人槍接觸點(diǎn)位置達(dá)到最大值的時刻是在第三發(fā)子彈被擊發(fā)后的一小段時間內(nèi)，這說明人身體響應(yīng)的最大值與接觸點(diǎn)的最大值并不同步，因而利用人槍接觸點(diǎn)位置處的響應(yīng)代替身體的響應(yīng)的分析是有一定偏差的。

(a)

(b)

(c)

5 結(jié) 論

本文利用LifeMod和ADAMS建立了機(jī)槍系統(tǒng)多剛體人體的人槍系統(tǒng)模型；為得到驗(yàn)證所需槍口點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了射擊時槍口點(diǎn)響應(yīng)試驗(yàn)；通過對自動機(jī)及槍口點(diǎn)響應(yīng)的校核，驗(yàn)證了所建模型的可信性；通過對接觸位置處的分析，得到大口徑機(jī)槍在設(shè)計(jì)過程中需要增加抵肩緩沖裝置、反后坐方式和自動機(jī)后坐到位緩沖器等結(jié)論；通過對人體關(guān)節(jié)響應(yīng)的分析，得到人體各關(guān)節(jié)達(dá)到極值不同步的結(jié)論，同時得到用接觸點(diǎn)處響應(yīng)代替人體響應(yīng)來分析人槍相互作用存在偏差的結(jié)論。這些結(jié)論可以為機(jī)槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供指導(dǎo)，也可為人槍相互作用分析提供參考。所使用的建模方法和思路，則為其他武器進(jìn)行人機(jī)相互作用分析提供了新途徑。

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Dynamic response of human body under impact of machine gun

ZHANG Benjun, WANG Ruilin, ZHENG Liping, LI Yongjian

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Dynamic response of human body under impact of machine gun should be studied because it is an important part of human-gun ergonomics of machine gun. Human-gun system model including a multi-rigid-body human body model was built by using the kinesiology software and ADAMS. The tests for its muzzle’s response during a machine gun firing were conducted to get the test data for verifying the human-gun system model. The credibility of the model was verified by comparing the test data of the muzzle’s response and the simulation results of the automatic mechanism. Some conclusions were drawn by analyzing responses of the human-gun contact position and the human body joints. It was shown that these conclusions can provide a guidance for machine gun structure design and improvement; these conclusions also can provide a reference for analyzing the interaction between human and gun. A new way for human-machine interaction analysis of other weapons was provided with the proposed modeling method and idea.

machine gun; human-gun system model; multi-rigid-body; dynamic response; simulation

2015-12-01 修改稿收到日期：2016-03-02

張本軍 男，博士生，1984年生

鄭立評 男，博士，教授，1963年生

TJ201

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.09.029