基于剛?cè)狁詈夏Ｐ偷哪呈謽屪詣訖C動力學(xué)仿真研究

賀 磊,姚養(yǎng)無,李樹軍,豐 婧

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051； 2.寧波軍鴿防務(wù)科技有限公司，浙江 寧波 315000；3.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051)

自動武器發(fā)射過程時間短，運動和受力復(fù)雜，使用UG和ADAMS軟件對自動武器進行建模和仿真，可以較為全面地分析研究自動武器發(fā)射過程的動態(tài)特性[1]。但是，當(dāng)自動武器中存在柔性件時，如果在ADAMS中仍將柔性件定義為剛體，則其在仿真過程中不會發(fā)生彈性變形，這會降低仿真精度甚至導(dǎo)致仿真失敗。

1996年，ADAMS推出ADAMS Flex模塊，實現(xiàn)了同時包含剛體和柔體的機構(gòu)動力學(xué)分析。ADAMS中的柔性體分為離散式和模態(tài)式2種：離散式柔性體是把一個剛體構(gòu)件離散為幾個小剛性構(gòu)件，小剛體構(gòu)件之間通過柔性梁連接，離散式柔性體的變形是柔性梁的變形，并不是小剛體構(gòu)件的變形，這種柔性體可以模擬物體的非線性變形，但只適用于簡單結(jié)構(gòu)；模態(tài)式柔性體是由ADAMS Flex模塊或外部有限元軟件生成，能根據(jù)構(gòu)件的實際結(jié)構(gòu)進行復(fù)雜建模，這種柔性體采用的是模態(tài)疊加法來模擬物體變形，故僅適用于線性結(jié)構(gòu)的受力分析[2]。

本文首先使用三維繪圖軟件UG繪制某手槍各零部件的三維模型并將繪制好的三維模型按其位置關(guān)系裝配，將裝配好的三維模型以Parasolid格式導(dǎo)入多體系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS中，在ADAMS中根據(jù)某手槍的受力關(guān)系施加載荷和約束，設(shè)置仿真參數(shù)，利用有限元分析軟件ANSYS導(dǎo)出的.mnf文件替換模型中的壓桿，利用ADAMS生成的離散式柔性體替換模型中的扳機簧，得到某手槍的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。通過對該剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M行仿真分析，得到某手槍套筒、身管的運動特性曲線以及彈殼在拋殼過程中的運動軌跡，并分析了模態(tài)式柔性件壓桿和離散式柔性件扳機簧的受力變形情況，為該手槍的進一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 某手槍發(fā)射過程分析

某手槍是一種半自動手槍，采用槍管短后坐自動方式、槍管偏移式閉鎖機構(gòu)、擊錘式擊發(fā)機構(gòu)，有手動保險、握把保險和空倉掛機裝置。擊發(fā)后，火藥氣體通過推動套筒和槍管共同后坐一段距離(自由行程)，槍管受到鉸鏈限制停止運動，而套筒繼續(xù)后坐并完成抽殼、拋殼、壓倒擊錘、壓縮復(fù)進簧等動作；復(fù)進時，靠復(fù)進簧伸張推動套筒復(fù)進并完成推彈入膛，套筒撞擊槍管尾端帶動槍管一起復(fù)進完成閉鎖。其結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖1。

圖1 某手槍自動機結(jié)構(gòu)原理示意圖

2 某手槍剛?cè)狁詈咸摂M樣機的建立

為了便于仿真，在不影響模型合理性的前提下作以下基本假設(shè)：

1) 除壓桿、扳機簧、彈簧外，其他運動構(gòu)件均為剛體；

2) 不考慮子彈發(fā)射時作用在身管上的阻力，火藥氣體直接作用于套筒彈底窩中心；

3) 彈簧阻尼忽略不計。

某手槍由套筒、身管、套筒座、擊發(fā)機構(gòu)、彈匣等組成。根據(jù)各零件的尺寸參數(shù)，利用三維繪圖軟件UG繪制該手槍的三維實體模型，隱藏不涉及本文研究內(nèi)容的零部件后，將裝配好的模型導(dǎo)出為Parasolid格式(.x_t文件)，然后將其導(dǎo)入多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS中。

在ADAMS界面中生成一段離散式柔性體以替代原模型中的扳機簧。在ANSYS Workbench界面中為壓桿劃分網(wǎng)格，以.dat文件形式導(dǎo)入ANSYS APDL界面中并為其定義外接點，然后輸出.mnf文件。在ADAMS界面里導(dǎo)入.mnf文件使壓桿柔性化以替代原模型的剛性壓桿。建立好的虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 某手槍剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型

根據(jù)某手槍的實際發(fā)射情況，考慮的載荷參數(shù)主要有扳機力、膛底合力、碰撞力、彈簧力和抽殼阻力：

1) 扳機力

單動手槍的扳機力一般為15～35 N[3],選取30 N作為虛擬樣機模型中扳機力的大小。

2) 膛底合力

作用于膛底的火藥燃氣壓力是某手槍自動機產(chǎn)生運動的原動力。運用經(jīng)典內(nèi)彈道計算模型在MATLAB中生成的平均壓力隨時間變化的計算曲線如圖3虛線所示，試驗測得的內(nèi)彈道試驗曲線如圖3實線所示，計算曲線與試驗曲線的擬合度較好，故可以作為某手槍發(fā)射時的膛內(nèi)平均壓力曲線。在MATLAB中將平均壓力曲線上點的橫縱坐標(biāo)提取出來導(dǎo)入ADAMS中生成樣條曲線，用AKISPL函數(shù)以力的形式加載到套筒彈底窩中心。通過經(jīng)驗公式將平均壓力轉(zhuǎn)化為膛底壓力,從而求得膛底合力，相關(guān)公式為

(1)

Fgh=SpT

(2)

式中：φ1為次要功計算系數(shù)；ω為裝藥量；m為彈丸質(zhì)量;Fgh為膛底合力；S為槍膛橫截面積。

圖3 某手槍內(nèi)彈道曲線

3) 碰撞力

運用ADAMS提供的Impact給模型施加碰撞力，其力學(xué)模型為

(3)

式中：k為剛度;δ為穿透深度;C為阻尼;n為力指數(shù)。

4) 彈簧力

該手槍中的彈簧有復(fù)進簧、擊針簧和擊錘壓桿簧，參數(shù)如表1所示。

表1 彈簧參數(shù)

5) 抽殼阻力

抽殼阻力Fφ是指拉殼鉤從身管中把彈殼拉出來時所遇到的阻力，可由拉殼阻力的近似公式得到：

(4)

式中：f0為彈殼與彈膛之間的摩擦因數(shù);lk為彈殼在彈膛內(nèi)的總長;d1為彈殼內(nèi)徑;E1為彈殼材料的彈性模量;δ為彈殼壁厚;Δ為彈殼外表面與彈膛壁間的相對緊縮量;dpj為彈殼的平均直徑;α為彈殼錐型部的半錐度角;x為彈殼后退行程。

在添加完載荷之后，還要在各部件之間添加約束，各活動部件的約束關(guān)系如表2所示。

表2 活動部件之間的運動副約束

為了驗證剛?cè)狁詈夏Ｐ偷目尚哦?，將虛擬樣機的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比。選取射擊時套筒到達各關(guān)鍵位置的時間作為剛?cè)狁詈夏Ｐ偷男：藰?biāo)準，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，如表3所示。

表3 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對照

3 某手槍柔性件動力學(xué)特性分析

3.1 柔性壓桿動力學(xué)分析

柔性壓桿首先受到扳機橫向力作用，受力變形后推動阻鐵釋放擊錘；在后坐過程中柔性壓桿受套筒內(nèi)弧形槽作用向下運動，在運動過程中受到柔性片簧的支撐;在套筒復(fù)進到位后，柔性壓桿再次被套筒施壓，最后停留在套筒弧形槽內(nèi)。圖4為柔性壓桿在Ansys Workbench中的網(wǎng)格模型，表4為柔性壓桿在剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡孢^程中的熱點表。

圖4 柔性壓桿網(wǎng)格模型示意圖

表4 柔性壓桿仿真過程熱點數(shù)據(jù)

如表4所示，柔性壓桿在0.001 3 s時受力最大，其中，第763號單元受到的等效應(yīng)力最大，為3 267.55 MPa。

3.2 柔性扳機簧動力學(xué)分析

柔性扳機簧被分為100個小矩形剛體，之間由柔性梁連接。在后坐過程中，柔性扳機簧在柔性壓桿的推動下發(fā)生彎曲并支撐著柔性壓桿，在套筒復(fù)進到位后推動扳機復(fù)位。圖5為柔性扳機簧在ADAMS中的簡化模型，圖6為柔性扳機簧在剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡孢^程中的變形曲線。

圖5 離散式柔性扳機簧簡化模型示意圖

由圖6所示，100號單元由于被固定，所以其在X軸的位移為0，1號單元在仿真過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)時其X軸坐標(biāo)為-53.10 mm，其在套筒復(fù)進到位后X軸的坐標(biāo)為-49.98 mm,故柔性扳機簧在在X軸方向的最大位移為3.12 mm。

圖6 離散式柔性扳機簧變形曲線

4 某手槍發(fā)射動力學(xué)特性分析

對某手槍剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M行動力學(xué)仿真計算，得到其發(fā)射動力學(xué)特性。圖7為身管速度、位移曲線，圖8為套筒速度、位移曲線，圖9為彈殼在抽、拋殼過程中的運動路徑。

圖7 身管位移、速度曲線

圖8 套筒位移、速度曲線

圖9 彈殼在抽、拋殼過程中的運動路徑

由圖8槍管、位移隨時間變化的曲線可知：身管后坐時的最大速度為4.49 m/s,后坐到位的時間為0.008 4 s;復(fù)進到位時速度為2.83 m/s,復(fù)進到位的時間為0.052 9 s。

由圖套筒位移、速度隨時間變化的曲線可知：套筒后坐時的最大速度為4.41 m/s,后坐到位時的速度為2.26 m/s;復(fù)進時的初始速度為0.098 m/s,復(fù)進到位時的速度為2.96 m/s。整個自動循環(huán)過程持續(xù)了0.045 8 s。

圖9為彈殼在抽、拋殼過程中的運動軌跡，從圖中可以看出：彈殼在拉殼鉤的作用下較平穩(wěn)地運動到拋殼挺位置，在與拋殼挺撞擊后，從拋彈窗翻滾地拋出。

5 結(jié)論

基于虛擬樣機和有限元技術(shù)建立了手槍剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過將仿真結(jié)果與試驗作對比，證實了模型的合理性，為自動武器中的柔性件在ADAMS中仿真提供了思路，為該手槍進一步機構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。