某自動(dòng)步槍導(dǎo)氣系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析

張小石，王憲升，喻 翔，朱智勇

(重慶建設(shè)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401320)

0 引言

步槍在近距離戰(zhàn)場(chǎng)和城市巷戰(zhàn)中發(fā)揮著不可替代的作用，步槍自動(dòng)機(jī)是步槍的一個(gè)重要零部件，研究自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)提高自動(dòng)步槍的可靠性有著重要意義[1]，其中連發(fā)是自動(dòng)步槍的一項(xiàng)重要性能。本文根據(jù)導(dǎo)氣式自動(dòng)步槍的參數(shù)，運(yùn)用ADAMS軟件建立了步槍的虛擬樣機(jī)模型，通過傳感器和仿真腳本的聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)了三連發(fā)外力載荷的施加，得到了三連發(fā)自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性曲線，并對(duì)導(dǎo)氣孔直徑分別為2.3 mm、2.5 mm、2.7 mm三連發(fā)槍機(jī)框速度、槍機(jī)速度、槍機(jī)框-擊錘接觸力、槍機(jī)-擊錘接觸力進(jìn)行了仿真分析。

1 自動(dòng)步槍結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 自動(dòng)步槍結(jié)構(gòu)

某導(dǎo)氣式自動(dòng)步槍主要由槍管、活塞簧、活塞座、活塞桿、機(jī)框、上機(jī)匣、緩沖頂頭、復(fù)進(jìn)簧、復(fù)進(jìn)簧管、槍托、下機(jī)匣、握把、扳機(jī)、發(fā)射機(jī)座、擊錘、機(jī)頭、護(hù)手等主要零件組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 某導(dǎo)氣式自動(dòng)步槍的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

射手扣扳機(jī)，擊錘回轉(zhuǎn)打擊擊針，擊針打響底火，完成擊發(fā)動(dòng)作；火藥氣體通過導(dǎo)氣箍的導(dǎo)氣孔進(jìn)入調(diào)節(jié)器，推動(dòng)活塞和機(jī)框一起后坐做功，活塞走完活塞行程就停止后坐，機(jī)框帶動(dòng)機(jī)頭走完開鎖前自由行程，機(jī)頭完成開鎖與機(jī)框一起后坐，機(jī)框在后坐的過程中完成抽殼、拋殼等動(dòng)作，同時(shí)壓倒擊錘撞擊緩沖頂頭壓縮復(fù)進(jìn)簧，當(dāng)復(fù)進(jìn)簧壓縮到位后停止后坐；機(jī)框后坐到位后，在復(fù)進(jìn)簧的作用下機(jī)框開始復(fù)進(jìn)，機(jī)框在復(fù)進(jìn)的過程中完成推彈、機(jī)頭閉鎖動(dòng)作，機(jī)頭走完閉鎖后自由行程，機(jī)框與節(jié)套碰撞，槍機(jī)復(fù)進(jìn)到位，等待擊錘回轉(zhuǎn)打擊擊針進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

2 虛擬樣機(jī)模型的建立

2.1基本假設(shè)

由于自動(dòng)步槍在擊發(fā)過程中零部件間的相互受力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，在建立ADAMS模型時(shí)抓住主要影響因素，忽略次要影響因素，在不影響模型合理性的基礎(chǔ)上，做出以下假設(shè)[2]：

(1)自動(dòng)步槍中的各構(gòu)件作剛體處理。

(2)不考慮人體的緩沖作用，機(jī)匣與地固定。

(3)忽略彈丸發(fā)射時(shí)槍管膛線對(duì)彈丸的阻力，將火藥燃?xì)獾淖饔脫Q算成氣室力作為外力直接加載到活塞導(dǎo)桿上。

(4)忽略一些不參加機(jī)構(gòu)動(dòng)作的零件。

(5)內(nèi)彈道解算過程中遵循火藥燃燒的基本假設(shè)。

2.2 多剛體模型的建立

運(yùn)用三維建模軟件NX.11建立自動(dòng)步槍的三維實(shí)體模型，如圖2所示。在NX.11中將三維實(shí)體模型以step中性格式文件形式保存，在ADAMS2018中將step格式文件打開并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，按照自動(dòng)步槍射擊時(shí)的運(yùn)動(dòng)約束和受力情況，分別對(duì)自動(dòng)步槍ADAMS2018模型添加約束和施加載荷。該自動(dòng)步槍的動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。該仿真模型中共有16個(gè)剛體，9個(gè)固定副，2個(gè)滑移副，2個(gè)旋轉(zhuǎn)副，1個(gè)圓柱副，10個(gè)碰撞接觸,3個(gè)單點(diǎn)力，4個(gè)彈簧阻尼器，1個(gè)仿真腳本，3個(gè)樣條曲線，1個(gè)傳感器。模型自由度D=6×16-6×9-5×2-6×2-4×1=16。鋼與鋼的靜摩擦因數(shù)為0.15，動(dòng)摩擦因數(shù)有潤(rùn)滑時(shí)一般為0.05～0.1。本文中機(jī)框與機(jī)匣的接觸副剛度為108N/m，阻尼為104Ns/m，穿透深度為10-4mm，庫(kù)倫靜摩擦因數(shù)為0.15，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.075，動(dòng)摩擦和靜摩擦的轉(zhuǎn)換速度為1 m/s。

圖2 自動(dòng)步槍三維模型

圖3 ADAMS中建立的自動(dòng)步槍動(dòng)力學(xué)模型

3 載荷參數(shù)的確定

載荷參數(shù)是自動(dòng)步槍動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)主要的考慮因素。根據(jù)自動(dòng)步槍連發(fā)射擊過程中的實(shí)際受力情況，主要的載荷有膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力和各彈簧的作用力等。

3.1 膛底合力計(jì)算

火藥燃?xì)鈮毫κ遣綐屪詣?dòng)機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力。根據(jù)自動(dòng)武器動(dòng)力學(xué)的有關(guān)知識(shí)，可知膛底壓力pt和平均壓力p的半經(jīng)驗(yàn)公式為：

(1)

Fgh=Spt.

(2)

其中：φ1為次要功計(jì)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。

通過查閱該步槍的內(nèi)彈道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)內(nèi)彈道方程，采用龍哥庫(kù)塔差分算法在MATLAB中編程，可解算出時(shí)間和膛底壓力pt的關(guān)系。

3.2 氣室壓力的計(jì)算

氣室內(nèi)火藥燃?xì)鈮毫Φ淖兓?guī)律與膛內(nèi)氣體壓力和導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，根據(jù)布拉文經(jīng)驗(yàn)公式，氣室壓力PS計(jì)算公式[3]為:

(3)

其中：Pd為彈頭經(jīng)過導(dǎo)氣孔瞬時(shí)的膛內(nèi)平均壓力；b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時(shí)間系數(shù)；α為與導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；t為氣室壓力工作時(shí)間。

根據(jù)氣室壓力變化規(guī)律，結(jié)合式(3)，通過MATLAB軟件編寫氣室壓力程序，可解算出氣室壓力與時(shí)間的關(guān)系。

3.3 彈簧力

該導(dǎo)氣式自動(dòng)步槍中用到的彈簧有壓縮彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧兩種，用到的壓簧有拉殼鉤簧、卡榫簧、活塞簧、復(fù)進(jìn)簧等，扭簧有擊錘簧、不到位保險(xiǎn)簧和擊發(fā)阻鐵。主要彈簧參數(shù)[4]如表1和表2所示。

表1 壓縮彈簧參數(shù)

表2 扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù)

4 傳感器設(shè)置及外力施加

要實(shí)現(xiàn)以上3個(gè)力的施加，考慮到步槍在每一發(fā)的射擊過程中伴隨著強(qiáng)烈的沖擊和震動(dòng)，及各震動(dòng)間的耦合，導(dǎo)致自動(dòng)機(jī)的每個(gè)自動(dòng)循環(huán)過程不相等，從而導(dǎo)致膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力的施加時(shí)機(jī)存在不確定性，因此采用傳統(tǒng)(靠時(shí)間來施加外力)的方法是行不通的。

本文采用MATLAB通過插值得到膛底壓力、氣室壓力的樣條曲線，每次載荷工作的時(shí)間都是從0開始，參變量時(shí)間在不斷地增加。所以，要實(shí)現(xiàn)工作載荷在每次復(fù)進(jìn)到位時(shí)間參量從0的添加，就要減去這一次槍機(jī)復(fù)進(jìn)到位的全部仿真時(shí)間，而這個(gè)仿真時(shí)間是通過ADAMS中傳感器sensor的返回值senval來實(shí)現(xiàn)的[5]。傳感器的設(shè)置方法如下：

在機(jī)框上設(shè)置一個(gè)marker點(diǎn)36、槍管上設(shè)置一個(gè)marker點(diǎn)43，這兩點(diǎn)沿槍管軸線距離最小時(shí)傳感器被觸發(fā)，傳感器的返回值為此時(shí)的時(shí)刻。具體形式如下：

sensor_1，value=0.0165，EQ,FUNCTION=DM(MODEL_jikuang_MARKER_36，MODEL_qiangguang_MARKER_43),EVALUTE=time

其中：Sensor_1為傳感器名稱；value為兩個(gè)marker點(diǎn)之間的最小距離；EQ,FUNCTION為傳感器的功能條件；EVALUTE為傳感器的評(píng)估條件。

氣室壓力的添加形式為：

if(time-senval(sensor_1)-1.7e-003:0，0，if(time-senval(sensor_1)-9.6e-003：1.011*AKSPL(time-senval(sensor_1)-9.6e-003，0，spline_2，0)*0.82*0.0055^2),0,0)

其中：AKSPL函數(shù)為樣條曲線輸入函數(shù)；spline_2為氣室壓力曲線；senval(sensor_1)為傳感器的返回值[6,7]。

5 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證虛擬樣機(jī)和仿真模型的可信度，本文將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取槍機(jī)框連發(fā)的速度和位移的平均相對(duì)誤差作為動(dòng)力學(xué)模型的校驗(yàn)指標(biāo)，若平均相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，則認(rèn)為仿真模型是可信的。槍機(jī)框的三連發(fā)平均速度仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示，三連發(fā)平均位移仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示[8,9]。

表3 槍機(jī)框三連發(fā)平均速度仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 槍機(jī)框三連發(fā)平均位移仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

6 發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真分析

本文通過對(duì)某自動(dòng)步槍虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了機(jī)框的連發(fā)動(dòng)力學(xué)特性曲線，導(dǎo)氣孔直徑分別為2.3 mm、2.5 mm、2.7 mm時(shí)三連發(fā)槍機(jī)框和槍機(jī)速度仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知：加大導(dǎo)氣孔直徑能增加氣室力使得自動(dòng)機(jī)有足夠的運(yùn)動(dòng)能量抵抗泥沙、煙霧等惡劣條件的不良影響，能明顯提高自動(dòng)機(jī)開始時(shí)的最大后坐速度，從而減少自動(dòng)機(jī)循環(huán)所使用的時(shí)間，加快射頻，但是對(duì)射擊精度有一定的影響；減小導(dǎo)氣孔直徑使得導(dǎo)氣室壓力變小，從而使得自動(dòng)機(jī)后坐到位速度減小，進(jìn)而使得自動(dòng)機(jī)后坐到位對(duì)機(jī)匣沖擊減小，有利于射擊精度的提高，自動(dòng)機(jī)循環(huán)時(shí)間在這種情況下會(huì)有所增加，射頻降低。

圖4 不同導(dǎo)氣孔直徑下三連發(fā)槍機(jī)框速度仿真結(jié)果 圖5 不同導(dǎo)氣孔直徑下三連發(fā)槍機(jī)速度仿真結(jié)果 圖6 不同導(dǎo)氣孔直徑下三連發(fā)槍機(jī)框-擊錘接觸力曲線

不同導(dǎo)氣孔直徑下三連發(fā)槍機(jī)框-擊錘和槍機(jī)-擊錘接觸力曲線如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知：隨著導(dǎo)氣孔直徑的增大，進(jìn)入氣室的火藥燃?xì)庠蕉?，在槍機(jī)后坐做功的過程中氣室壓力的縮減越明顯，槍機(jī)框-擊錘和槍機(jī)-擊錘的接觸力突變很大，導(dǎo)氣孔直徑為2.7 mm時(shí)槍機(jī)框-擊錘接觸力最大為16 235.4 N，槍機(jī)-擊錘接觸力最大為6 124.4 N；導(dǎo)氣孔直徑為2.3 mm時(shí)槍機(jī)框-擊錘接觸力最大可達(dá)12 134.3 N，槍機(jī)-擊錘接觸力最大為4 226.7 N。導(dǎo)氣孔過大不利于提高武器射擊精度和延長(zhǎng)武器的使用壽命，氣室壓力越大對(duì)導(dǎo)氣孔、調(diào)節(jié)器和活塞的間隙沖刷和燒蝕越嚴(yán)重，進(jìn)一步惡化導(dǎo)氣裝置在高溫高壓下的工作環(huán)境[10]。

圖7 不同導(dǎo)氣孔直徑下三連發(fā)槍機(jī)-擊錘接觸力曲線

7 結(jié)論

本文基于ADAMS建立了某自動(dòng)步槍的動(dòng)力學(xué)仿真模型，確定了膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力等載荷參數(shù)，設(shè)置位移傳感器來控制外力的施加時(shí)機(jī)，成功解決了自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)到位為初始狀態(tài)的載荷施加。對(duì)導(dǎo)氣孔直徑分別為2.3 mm、2.5 mm、2.7 mm三連發(fā)槍機(jī)框速度、槍機(jī)速度、槍機(jī)框-擊錘接觸力、槍機(jī)-擊錘接觸力進(jìn)行了仿真分析，得到了機(jī)框的連發(fā)動(dòng)力學(xué)特性曲線，可為自動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、射頻和后續(xù)自動(dòng)步槍動(dòng)力學(xué)仿真提供參考，為槍械導(dǎo)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了定量分析依據(jù)，為槍械的研制提供新的改進(jìn)方法。