輕武器典型閉鎖機構(gòu)虛擬運動仿真演示

陳玨霖，梁振剛，王 鑫，朱江寧

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽110159；2.朝陽師范高等?？茖W校 數(shù)學計算機系，遼寧 朝陽 122000)

閉鎖機構(gòu)是輕武器的重要組成部分，閉鎖機構(gòu)運動演示是武器專業(yè)課堂教學必不可少的環(huán)節(jié)[1].隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，以三維建模、程序設計為基礎的虛擬仿真技術(shù)的可行性和實用性得到肯定[2]，許多高校、博物館等逐步使用虛擬仿真技術(shù)進行輔助教學、科普活動.目前，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為很多高新技術(shù)研究和課程教學的重要手段，并顯示出比常規(guī)教學方法更突出的優(yōu)勢[3-5].虛擬仿真技術(shù)在教育培訓中的應用主要可以分為：數(shù)字校園、虛擬演示教學與實驗、遠程教育、特殊教育和職業(yè)技能培訓等[6].其中，虛擬演示教學與實驗的應用居多，如虛擬仿真教學系統(tǒng)的開發(fā)與應用.使用虛擬仿真教學系統(tǒng)不僅可以大大提高教學效果，還可節(jié)省大量的實驗成本[7-8].虛擬仿真教學系統(tǒng)通過教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，能夠顯著推進教學內(nèi)容和教學模式的改革與創(chuàng)新.

本文針對輕武器典型閉鎖機構(gòu)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在搭建交互控制平臺的基礎上，構(gòu)建輕武器閉鎖機構(gòu)運動數(shù)學模型，并利用Unity 3D軟件開發(fā)輕武器閉鎖機構(gòu)運動演示系統(tǒng)，以期為武器專業(yè)課堂教學、科普講座等提供可視化演示平臺.

1 輕武器閉鎖機構(gòu)

本文選取的閉鎖片偏移式閉鎖機構(gòu)又叫魚鰓板式閉鎖機構(gòu)[9]，在自動武器上大量使用，是一種典型的閉鎖機構(gòu).

圖1所示為處于閉鎖狀態(tài)的閉鎖片偏移式閉鎖機構(gòu).采用這種機構(gòu)的槍機兩側(cè)各有一塊可以外展的閉鎖片.在閉鎖狀態(tài)下，機體前部閉鎖斜面將左、右閉鎖片擠入機匣兩邊的凹槽中，起封閉內(nèi)膛的作用.當槍機向前關(guān)閉后膛時，在槍機機體閉鎖斜面的作用下，兩塊閉鎖片展開而抵住機匣兩側(cè)的閉鎖支撐面，完成閉鎖；當機體被活塞向后推時，機體開鎖斜面又將兩塊閉鎖片收攏而脫離機匣兩側(cè)的閉鎖支撐面，槍機可后退開鎖.

圖1 處于閉鎖狀態(tài)的閉鎖片偏移式閉鎖機構(gòu)

2 閉鎖機構(gòu)運動模型

2.1 機體及機頭運動模型

2.1.1 機體及機頭開鎖階段運動模型

機體在閉鎖機構(gòu)開鎖運動中是主動件.設m1為機體組件質(zhì)量，m2為機頭組件質(zhì)量，m3為閉鎖片組件質(zhì)量，則開鎖運動可分為3個階段.

第一階段，機體受火藥燃氣產(chǎn)生的主動力FP作用.這個力是在彈丸經(jīng)過身管導氣孔之后，火藥燃氣經(jīng)導氣管作用在活塞桿并傳遞給機體組件的.導氣管的導氣過程如圖2所示.

注：0、1、2為彈丸在身管內(nèi)運動不同時刻的位置.

在這一階段，機體還受機匣產(chǎn)生的摩擦力ft1、相對機頭滑動產(chǎn)生的摩擦力f1、閉鎖片產(chǎn)生的阻力f2作用.機體開始運動后壓縮復進簧，機體受復進簧彈力Fn作用.第一階段機體速度v1隨時間的變化可表示為：

(1)

第二階段，機體拉動機頭和閉鎖片運動，三者運動狀態(tài)一致.此時，膛內(nèi)壓力下降到安全值，機頭離開閉鎖位置，開啟槍膛，火藥燃氣開始外泄，機匣、機體及機頭受火藥燃氣的主動力作用，機匣對機體、機頭產(chǎn)生摩擦力，且機匣沿其軸線方向?qū)﹂]鎖片產(chǎn)生摩擦力fb.同時，機體受復進簧彈力作用.第二階段機體速度v2隨時間的變化可表示為：

(2)

第三階段，火藥燃氣產(chǎn)生的主動力降低為零，在復進簧彈力和機匣摩擦力的作用下，機體雖繼續(xù)前進但速度逐漸降低為零，進入下一個射擊循環(huán).第三階段機體速度v3隨時間的變化可表示為：

(3)

2.1.2 機體及機頭閉鎖階段運動模型

閉鎖機構(gòu)的閉鎖運動可分為兩個階段.機頭組件在閉鎖階段的運動狀態(tài)與機體組件第一階段的運動狀態(tài)一致.

第一階段，機體組件帶動機頭組件與閉鎖片組件運動，機體受復進簧施加的主動力作用.由彈簧特性可知，該主動力隨著機體的運動而逐漸衰減，而機體帶動機頭和閉鎖片一起運動，整體受機匣導軌產(chǎn)生的摩擦力作用，三者運動狀態(tài)相同.該階段機體速度v4隨時間的變化可表示為：

(4)

第二階段，機頭撞擊機匣急停之后，瞬間速度降低到零，而機體仍相對機頭向前移動，向兩側(cè)撞開閉鎖片完成閉鎖，直到撞擊機頭而完成急停，速度降為零.機體在這一過程受機匣產(chǎn)生的摩擦力、機頭相對滑動產(chǎn)生的阻力、閉鎖斜面撞擊閉鎖片產(chǎn)生的軸向阻力作用.該階段機體速度v5隨時間的變化可表示為：

(5)

2.2 閉鎖片運動模型

2.2.1 閉鎖片閉鎖階段運動模型

針對閉鎖過程，可將閉鎖片組件的運動劃分為兩個階段.

第一階段，開始閉鎖時，閉鎖片與機體組件的運動規(guī)律一致，只需參照機體組件在第一階段的運動情況就可以得到閉鎖片在第一階段的運動規(guī)律.

第二階段，由于閉鎖片組件的形狀不規(guī)則，因此不便直接研究其運動規(guī)律.通過結(jié)構(gòu)分析可知，閉鎖片的運動特征可以由其繞機頭旋轉(zhuǎn)的支點A以及與機體組件閉鎖斜面直接接觸的B點的運動規(guī)律表現(xiàn)出來.本文將閉鎖片組件的數(shù)學模型簡化為以A、B為端點的一條線段(圖3).

圖3 閉鎖片簡化示意圖

A點沿機頭組件的圓弧部旋轉(zhuǎn)，在前兩個運動階段結(jié)束后作為閉鎖片繞機頭旋轉(zhuǎn)的中軸點，相對機匣與機頭是靜止的，因此主要考慮B點的運動規(guī)律即可.設B點沿機匣軸線方向為Y方向，垂直機匣軸線方向為X方向.B點在這個階段的運動實際是沿機體閉鎖斜面的運動，將B點運動路徑劃分成在其所在水平面上發(fā)生的X方向的位移(x)和Y方向的位移(y).這二者存在的函數(shù)關(guān)系，是由機體組件閉鎖斜面結(jié)構(gòu)決定的.在機頭靜止后，A點與機頭、機匣都相對靜止.隨著機體組件閉鎖斜面繼續(xù)向前移動，B點開始沿著閉鎖斜面運動.以機匣作為參考系，B點在機體閉鎖斜面發(fā)生的位移為L時，閉鎖斜面相對機匣軸線的傾斜角為θ(圖4)，閉鎖片上B點沿X方向的位移為：

x=Ltanθ

(6)

線段AB的長度為a，固定不變.B點在Y方向發(fā)生的位移為：

(7)

圖4 機體組件閉鎖斜面結(jié)構(gòu)中θ角

2.2.2 閉鎖片開鎖階段運動模型

在開鎖過程開始階段，閉鎖片沿機體斜面離開機匣的閉鎖支撐面.可認為閉鎖片在這一階段的運動與其閉鎖過程第二階段的運動呈對稱關(guān)系.在開鎖的第二階段，閉鎖片在開始運動時沿閉鎖斜面運動，A點和機頭都相對機匣靜止，B點沿機體組件閉鎖斜面向內(nèi)收攏.當機體組件位移為L時，閉鎖片上B點沿X方向的位移為：

x=-Ltanθ

(8)

B點沿Y方向的位移為：

(9)

3 閉鎖機構(gòu)運動演示系統(tǒng)程序設計

3.1 閉鎖機構(gòu)三維建模

應用3D max軟件建立的機頭、機體、機匣及閉鎖片三維結(jié)構(gòu)模型如圖5所示.

a—機頭；b—機體；c—機匣；d—閉鎖片

閉鎖片偏移式閉鎖機構(gòu)三維裝配模型如圖6所示.

圖6 閉鎖片偏移式閉鎖機構(gòu)三維裝配模型

將建好的三維模型以fbx文件格式導入Unity 3D軟件中.

3.2 閉鎖機構(gòu)虛擬運動實現(xiàn)

閉鎖機構(gòu)各組件坐標位置與時間的對應關(guān)系可體現(xiàn)閉鎖機構(gòu)的運動過程，但需要根據(jù)運動模型計算閉鎖機構(gòu)各組件的位置，并通過Unity 3D軟件平臺來再現(xiàn)運動過程.

在已知輕武器中閉鎖機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和其他動力學參數(shù)的條件下，根據(jù)閉鎖機構(gòu)開鎖運動模型和閉鎖運動模型，可求得閉鎖機構(gòu)各組件速度、時間和位移等，綁定組件三維模型后能夠?qū)崿F(xiàn)機構(gòu)虛擬運動演示.

3.3 開閉鎖程序設計

開閉鎖程序運行流程如圖7所示.

圖7 開閉鎖程序運行流程

以Winform程序為基礎，采用C#語言編寫虛擬運行程序，接入Unity 3D模塊，用于機構(gòu)三維模型導入和機構(gòu)運動演示.

系統(tǒng)運行界面如圖8所示.該界面左側(cè)為功能選擇區(qū)，用于選取需要演示的閉鎖機構(gòu)及相應演示功能；界面右側(cè)為演示區(qū)域，提供典型閉鎖機構(gòu)的可視化運動演示，可實時查看機構(gòu)運動狀態(tài)、暫?；蜓h(huán)演示，并可自定觀察角度.系統(tǒng)針對后續(xù)新機構(gòu)的加入預留了接口，可實現(xiàn)一系列機構(gòu)的運動仿真演示.

4 閉鎖機構(gòu)運動過程演示

閉鎖機構(gòu)運動演示系統(tǒng)中開鎖過程如圖9所示.

(a)靜止時刻

(b)開鎖過程第一階段

(c)開鎖過程第二階段

(d)開鎖過程第三階段

閉鎖過程與開鎖過程運動相反，本文不再演示.

5 結(jié)束語

本文對一種典型輕武器閉鎖機構(gòu)關(guān)鍵部件進行運動分析并構(gòu)建其三維模型，建立了機構(gòu)開鎖和閉鎖過程的運動模型，應用C#語言基于Winform框架，在Unity 3D環(huán)境下開發(fā)了機構(gòu)運動演示系統(tǒng)，實現(xiàn)了機構(gòu)虛擬運動的可視化.該閉鎖機構(gòu)運動演示系統(tǒng)具備后續(xù)添加新機構(gòu)的可拓展性，可作為武器專業(yè)課堂講解、科普講座等的可視化演示平臺.