基于ADAMS的環(huán)形彈簧后坐緩沖運動仿真

魏立新，陳延偉，劉明敏

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

環(huán)形彈簧由多個帶有內(nèi)錐面的外圓環(huán)和帶有外錐面的內(nèi)圓環(huán)配合組成，由于接觸表面具有很大的摩擦力，加載時增大彈簧作用力，卸載時減小彈簧作用力。環(huán)形彈簧再加載和卸載循環(huán)中，由摩擦力轉(zhuǎn)化為熱能所消耗的功，其大小幾乎可以達到加載過程所作功的60%～70%[1]，其常應(yīng)用在空間尺寸受限而又需要強力緩沖的場合。

在不需利用自動機復(fù)進能量完成機構(gòu)動作的小口徑火炮（大口徑機槍）中，特別是轉(zhuǎn)管自動機，應(yīng)用環(huán)形彈簧進行后坐緩沖優(yōu)勢比較明顯，不僅可以減小自動機后坐能量，也可以減輕復(fù)進對炮架的沖擊，提高射擊精度。

ADAMS軟件是功能強大的動力學(xué)仿真軟件，在ADAMS中的彈簧剛度只能是固定值，不能設(shè)置不同的加載和卸載剛度直接模擬環(huán)形彈簧，本文用ADAMS中的一維作用力的表達式來模擬環(huán)形彈簧緩沖，勿需編寫用戶子程序[3]。

1 轉(zhuǎn)管炮后坐緩沖受力分析

本文以某轉(zhuǎn)管炮為對象，利用ADAMS軟件，對自動機后坐復(fù)進運動進行模擬仿真。后坐緩沖模型如圖2所示，后坐部分受到發(fā)射沖擊力火藥氣體作用向后運動，壓縮環(huán)形彈簧進行緩沖并存儲復(fù)進能量，后坐到某平衡點后（即后座速度為0時），在環(huán)形彈簧作用下開始復(fù)進，在自動機復(fù)進過程中發(fā)射下一發(fā)炮彈，后座能量被自動機前沖能量抵消一部分后，自動機繼續(xù)后坐，如此連發(fā)時，實現(xiàn)了自動機浮動，后坐力峰值降低，大小穩(wěn)定。在高射速射擊過程中，自動機復(fù)進一般不會出現(xiàn)前沖狀態(tài)，即前支座不會碰撞搖架，有利于減小復(fù)進沖擊力。

以后坐部分為研究對象，其受力如圖3所示。后坐部分主要承受炮膛合力、彈簧力和摩擦力。

圖1 環(huán)形彈簧力學(xué)性能曲線Fig.1 Annular spring mechanical property curve

圖2 后坐緩沖模型示意圖Fig.2 Structure chart of the recoiling buffer

彈簧阻尼與速度方向相反，摩擦力與速度方向相反。

2 ADAMS下環(huán)形彈簧力學(xué)特性實現(xiàn)方法

在ADAMS環(huán)境下實現(xiàn)環(huán)形彈簧力學(xué)特性模擬的方法，如圖2所示，首先，在前支座和后支座之間添加SFORCE力，該力的值項用函數(shù)表達式表示；其次，為判斷環(huán)形彈簧受力方向變化，需調(diào)用邏輯函數(shù)IF判斷，以實現(xiàn)后坐復(fù)進過程的轉(zhuǎn)變；最后，通過后座位移仿真數(shù)據(jù)得出環(huán)形彈簧受力大小，即后坐力。

邏輯依據(jù)是：

1）當(dāng)前支座處于后坐運動時：作用力=彈簧變形力+阻尼+摩擦力；

2）當(dāng)前支座處于復(fù)進運動時：作用力=彈簧變形力×比例系數(shù)+阻尼×比例系數(shù)-摩擦力；

3）當(dāng)后支座處于復(fù)進運動時：作用力=彈簧變形力+阻尼-摩擦力；

4）當(dāng)后支座處于后坐運動時：作用力=彈簧變形力×比例系數(shù)+阻尼×比例系數(shù)+摩擦力。

在ADAMS軟件環(huán)境下，以前、后支座的運動速度作為后坐復(fù)進判斷條件，而不直接以后坐部分運動作為判斷條件，是因為后坐部分不能準確的反映彈簧的反向壓縮情況。以炮口方向為正，具體如下：

若后支架不動，前支架運動

若前支架不動，后支架運動

需要說明的是，由于彈簧力的存在，前、后支座不可能存在同時運動情況。由于在仿真軟件下，開始仿真段存在振蕩情況，因此增加判斷前、后支座運動的條件。下面列出ADAMS軟件下的環(huán)形彈簧表達式。

2.1 按設(shè)計參數(shù)仿真

按照ADAMS函數(shù)表達式的IF嵌套語句寫出該力，IF函數(shù)的各式為IF（表達式1：表達式2，表達式3，表達式4），表示當(dāng)表達式1＜0，執(zhí)行表達式2，當(dāng)表達式1=0，執(zhí)行表達式3，表達式1＞0，執(zhí)行表達式4。

IF（后支座位移:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（后支座速度:

2.2 用彈簧測試數(shù)據(jù)仿真

在環(huán)形彈簧生產(chǎn)出來后，要進行壓力測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)也可以進行后坐仿真，下面以環(huán)形彈簧的測試數(shù)據(jù)為條件的函數(shù)表達式。要用到AKISPL函數(shù)，該函數(shù)返回根據(jù)Akima樣條曲線的擬合值。AKISPL 格式為AKISPL（第1獨立變量,第2獨立變量，樣條函數(shù)名，求導(dǎo)階數(shù)），其中第1獨立變量代表樣條中第1個實數(shù)變量，如彈簧壓縮量；第2獨立變量表示第2個實數(shù)變量，如曲面；求導(dǎo)階數(shù)合法值：0-返回曲線坐標值，1-返回一階導(dǎo)數(shù)值，2-返回二階導(dǎo)數(shù)值，SPLINE_1是環(huán)形彈簧測量加載曲線，SPLINE_2是環(huán)形彈簧測量卸載曲線。

IF（后支座位移:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（后支座速度:

3 仿真結(jié)果

3.1 依據(jù)設(shè)計參數(shù)仿真

根據(jù)設(shè)計參量，編寫ADAMS函數(shù)表達式，并進行仿真，得到如下結(jié)果?？梢钥吹皆O(shè)計滿足后坐緩沖要求，自動機射擊過程可以“浮動”起來。

圖4 彈簧力-時間曲線Fig.4 Spring force-time curve

圖5 彈簧力-位移曲線Fig.5 Spring force-displacement curve

圖6 自動機后坐位移-時間曲線Fig.6 Recoil displacement-time curve

圖7 彈簧力-時間曲線Fig.7 Spring force-time curve

3.2 以實際測試數(shù)據(jù)仿真

在實際生產(chǎn)中，彈簧并不能完全符合技術(shù)設(shè)計要求，因此需對彈簧測試數(shù)據(jù)進行仿真，結(jié)果見圖8。本文的環(huán)形彈簧測試數(shù)據(jù)是已經(jīng)射擊了幾千發(fā)后的數(shù)據(jù)，因此可見彈簧有壓縮到極限位的情況。

4 與試驗結(jié)果對比

把仿真的后坐位移曲線與實際測試的位移曲線進行對比，可以發(fā)現(xiàn)曲線較一致，特別是用測試彈簧數(shù)據(jù)仿真的后坐位移曲線，其趨勢與測試后坐位移曲線比較一致（見圖9和圖10）。由于仿真時對實際情況進行了大量簡化，仿真結(jié)果和實際結(jié)果并不完全一致。

5 結(jié) 語

通過運行函數(shù)表達式，在ADAMS軟件下實現(xiàn)了環(huán)形簧特性的后坐緩沖運動仿真，通過與試驗數(shù)據(jù)比對，結(jié)果較吻合。該方法可以用到火炮設(shè)計的數(shù)字仿真中，簡化了仿真過程，對提高設(shè)計手段具有積極意義。

圖8 彈簧力-位移曲線Fig.8 Spring force-displacement curve

圖9 后坐位移曲線（發(fā)射率4 200發(fā)/分）Fig.9 Recoil displacement-time curve

圖10 實際射擊測試后坐位移曲線（發(fā)射率4 200發(fā)/分）Fig.10 Test dadta of recoil displacement-time curve

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