某自動步槍連發(fā)動力學仿真分析

張小石，王憲升，喻翔

（重慶建設(shè)工業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 401320）

步槍在近距離戰(zhàn)場和城市巷戰(zhàn)中發(fā)揮著不可替代的作用，步槍自動機是步槍的一個重要零部件，研究自動機的動力學特性對提高自動步槍的可靠性有著重要意義，連發(fā)又是自動步槍的一項重要性能。查了大量仿真文獻，在仿真中機匣都與地添加的是固定副，相當于槍架仿真。目前國內(nèi)對抵肩連發(fā)動力學特性的研究仍處于空白，因此對自動步槍進行連發(fā)仿真有著重要意義。本文根據(jù)導氣式自動步槍的結(jié)果參數(shù)，運用adams軟件建立了步槍的虛擬樣機模型，通過傳感器和仿真腳本的聯(lián)合使用，實現(xiàn)了5連發(fā)外力載荷的施加，通過仿真得到了5連發(fā)自動機的動力學特性曲線。通過對槍架和抵肩兩種工況連發(fā)自動機的動力學特性曲線的對比分析，能夠加深對自動機動力學特性的理解，對自動機的設(shè)計和后續(xù)自動步槍動力學仿真提供參考。

1 自動步槍工作原理

火藥燃氣通過導氣孔進入導氣室推動活塞做功，活塞向后運動撞擊機框，活塞和機框一起后坐，活塞走完活塞行程就停止后坐，機框帶動機頭走完開鎖前自由行程，機頭完成開鎖與機框一起后坐，機框在后坐的過程中完成抽殼、拋殼等動作，當機框后坐到位后，在復進簧的作用下機框開始復進，機框在復進的過程中完成推彈、機頭閉鎖動作，當機頭走完閉鎖后自由行程，機框與節(jié)套碰撞后，槍機復進到位。

2 虛擬樣機模型的建立

2.1 基本假設(shè)

由于自動步槍在擊發(fā)的過程中，零部件間的相互受力和相對運動比較復雜，在建立虛擬模型的時候抓住主要影響因素，忽略次要影響因素，在不影響模型的合理性的基礎(chǔ)上，做出以下假設(shè)。

（1）自動步槍中的個構(gòu)件作剛體處理。

（2）不考慮人體的緩沖作用，機匣與地固定。

（3）內(nèi)道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

在Adams中建立的動力學模型如圖1所示。

圖1 Adams中建立的自動步槍虛擬樣機模型

3 載荷參數(shù)的確定

載荷參數(shù)是自動步槍動力學仿真模型中主要的考慮因素。根據(jù)自動步槍連發(fā)射擊過程中的實際受力情況，主要的載荷有膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力、各彈簧的作用力等。

氣室內(nèi)火藥燃氣壓力的變化規(guī)律與膛內(nèi)氣體壓力和導氣裝置的結(jié)果參數(shù)有關(guān)，根據(jù)布拉文經(jīng)驗公式，導氣室作用力公式為。

式中，PS為氣室壓力，Pd為彈頭經(jīng)過導氣孔瞬時的膛內(nèi)平均壓力，b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時間系數(shù)，α為與導氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，t為氣室壓力工作時間，S為導氣室活塞面積，ηs為導氣裝置的沖量效率，i0為膛內(nèi)壓力的單位全沖量，e為自然對數(shù)的底，F(xiàn)S為氣室力。根據(jù)氣室壓力變化規(guī)律，結(jié)合式（1）、（2）、（3）、（4）通過MATLAB軟件編寫氣室壓力程序。

4 傳感器設(shè)置及外力施加

要實現(xiàn)以上3個力的施加，要考慮到步槍在每發(fā)的射擊過程中伴隨著強烈的沖擊和震動及各震動間的耦合，導致自動機的每個自動循環(huán)過程不相等，從而導致膛底合力、氣室壓力、抽殼阻力的施加時機存在不確定性，因此用傳統(tǒng)靠時間來施加外力的方法，在這里是行不通的。而這個仿真時間是通過Adams中傳感器sensor的返回值senval來實現(xiàn)的。

氣室壓力的添加形式為：

式中if函數(shù)為判斷函數(shù)，AKSPL函數(shù)是樣條曲線輸入函數(shù)，spline_1為氣室壓力曲線；senval（sensor_1）為傳感器的返回值。

5 模型驗證

為了驗證虛擬樣機和仿真模型的可信度，本文將仿真結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比，選取機框連發(fā)的速度的平均相對誤差作為動力學模型的校驗指標。機框最大后坐仿真速度7.38m/s，試驗速度6.94m/s，相對誤差6.3%，機框復進到仿真位速度4.18m/s，試驗3.85m/s相對誤差8.5%，若平均相對誤差在10%以內(nèi)，可以認為仿真模型是可信的。

6 發(fā)射動力學仿真分析

本文通過對某自動步槍虛擬樣機模型進行動力學仿真，得到了機框的連發(fā)動力學特性，仿真時間從槍彈擊發(fā)的一瞬間開始計算，槍架機框五連發(fā)仿真結(jié)果見圖2，通過連發(fā)仿真能夠很好地理解自動機的動力學特性。

圖2 槍架仿真機框5連發(fā)位移、速度曲線

本文抵肩機框五連發(fā)仿真結(jié)果見圖3。在槍架仿真中，槍托與地添加固定副，但五連發(fā)槍托仿真總體情況是仿真曲線比較規(guī)整。速度位移曲線復進到位時槍機都有短暫的停頓，曲線上反映是保持某一值水平不變的。

圖3 抵肩仿真機框5連發(fā)位移、速度曲線

在槍架仿真中，槍托后加個緩沖彈簧，彈簧與地添加固定副。查了相關(guān)人體緩沖的相關(guān)文獻，該緩沖簧的剛度為10N/mm，阻尼為0.3N·s/mm。在槍機復進到位后，位移曲線在變化，而不是保持固定值。后坐的過程中，機框速度曲線變化波動比較大，這與加彈簧緩沖有關(guān)，抵肩仿真比槍架仿真，更能夠體現(xiàn)自動步槍在連發(fā)射擊中的真實性。

7 結(jié)語

本文基于虛擬樣機技術(shù)建立了某自動步槍的動力學仿真模型。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機，通過senval（sensor）成功解決了自動機復進到位為初始狀態(tài)的載荷施加。并驗證了模型的可信性，對槍架和抵肩兩種工況對比進行了仿真分析。通過仿真計算得到了機框的連發(fā)動力學特性曲線，對自動機的設(shè)計、降射頻和后續(xù)自動步槍動力學仿真提供參考。