基于ADAMS的手槍動(dòng)力學(xué)仿真分析

張小石，李彥宇，王憲升，喻翔，張強(qiáng)

（重慶建設(shè)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 400054）

手槍是能夠在50～100m有效射程內(nèi)狙殺有生目標(biāo)的制式武器。手槍由于短小精悍，便于攜帶，能突然射擊，一直被受到各國(guó)軍隊(duì)和警察的青睞，特別是指揮干部、航天員以及公安人員等大量使用。隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)原有手槍進(jìn)行了拓展升級(jí)，演變出許多新的槍族系列，如勃朗寧系列、格洛克系列，其中格洛克可以連發(fā)射擊使其性能得到大幅度提高。格洛克手槍上加上卡賓套可以當(dāng)沖鋒槍用。該手槍在擊發(fā)時(shí)的工作原理為槍管短后坐，目的是減小后坐力，提高射擊精度，借助Adams軟件對(duì)該手槍進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，能夠更好地理解該手槍在后坐和復(fù)進(jìn)過程時(shí)中套筒和槍管運(yùn)動(dòng)的情形。

1 工作原理

在擊發(fā)時(shí)，槍管和套筒處于閉鎖狀態(tài)準(zhǔn)備后坐，在套筒后坐的過程中，拉殼鉤把彈殼從槍管里抽出來。然后，向后運(yùn)動(dòng)的槍管受到限制停止后坐，而套筒則繼續(xù)后坐，直到套筒與槍管之間的距離達(dá)到足夠供彈為止。

槍管與套筒一起復(fù)進(jìn)到位，開鎖后，向后運(yùn)動(dòng)的槍管受到限制并被扣住而暫時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，而套筒單獨(dú)后坐與復(fù)進(jìn)，快復(fù)進(jìn)到前方位置時(shí)鎖住槍管，并與槍管一起復(fù)進(jìn)，隨后完成閉鎖動(dòng)作并復(fù)進(jìn)到位。一般情況下，身管和閉鎖構(gòu)件共用一根復(fù)進(jìn)簧。

2 動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.1 基本假設(shè)

由于手槍在擊發(fā)的過程中，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模型的時(shí)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）手槍中的個(gè)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）仿真過程中，忽略了一些不參加機(jī)構(gòu)動(dòng)作的零件。（4）內(nèi)道道解算過程中遵循火藥燃燒的基本假設(shè)。

2.2 動(dòng)力學(xué)模型的建立

將在UG中建好的三維手槍模型導(dǎo)入ADAMS中，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，按照手槍射擊時(shí)的運(yùn)動(dòng)約束和受力情況，分別對(duì)手槍adams2018模型添加約束和施加載荷，如圖1所示。該手槍的動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。該仿真模型中共有：4個(gè)單點(diǎn)力、3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。

2.3 內(nèi)彈道的分析計(jì)算

圖1 手槍動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)內(nèi)彈道相關(guān)理論，解算出的膛壓曲線最大值為210MPa，在0.5ms時(shí)膛壓已經(jīng)降到30MPa，此時(shí)，彈丸速度為350m/s，在槍管里走過300mm的長(zhǎng)度。在2.5ms時(shí)，彈丸的速度達(dá)到平穩(wěn)的400m/s，可以判斷此時(shí)彈丸已經(jīng)離開槍口。通過matlab解算出的內(nèi)彈道數(shù)據(jù)，保存成.txt文件。通過樣條曲線的形式導(dǎo)入ADAMS軟件中，并用ADAMS中的AKISPL函數(shù)將膛壓曲線換算成膛底合力曲線，將套筒通過模型分割準(zhǔn)確的將膛底合力曲線通過單點(diǎn)力的形式加到套筒的彈底窩處。

2.4 載荷的施加

在手槍實(shí)際射擊過程中，槍機(jī)承受的力很多，本文中主要考慮有槍膛合力、抽殼阻力的施加。槍膛合力通過AKISPL函數(shù)施加，在此主要分析抽殼力出現(xiàn)時(shí)機(jī)，在內(nèi)彈道后效期結(jié)束時(shí)出現(xiàn)抽殼力，本文的參考時(shí)間為2.5ms，是通過IF函數(shù)完成抽殼力的施加。

3 仿真分析

經(jīng)查詢資料可知國(guó)產(chǎn)9mm某型手槍槍機(jī)速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)：最大后坐速度6.16m/s、后坐到位速度4.02m/s、復(fù)進(jìn)開始速度-0.67m/s（其中負(fù)號(hào)代表反方向）、復(fù)進(jìn)到位速度-2.56m/s。該手槍槍機(jī)速度仿真數(shù)據(jù)整理：最大后坐速度6.76m/s、后坐到位速度4.93m/s、復(fù)進(jìn)開始速度-0.165m/s、復(fù)進(jìn)到位速度-2.07m/s。改變槍機(jī)質(zhì)量分析槍機(jī)的速度、位移曲線如圖2、3所示。

本文仿真數(shù)據(jù)如下：槍機(jī)150g循環(huán)時(shí)間37.7ms、最大后坐速度7.32m/s、后坐到位速度5.20m/s、復(fù)進(jìn)開始速度-0.114m/s、復(fù)進(jìn)到位速度-2.287m/s。槍機(jī)180g循環(huán)時(shí)間39.8ms、最大后坐速度6.67m/s、后坐到位速度4.48m/s、復(fù)進(jìn)開始速度-0.22m/s、復(fù)進(jìn)到位速度-2.176m/s。槍機(jī)250g循環(huán)時(shí)間45.3ms、最大后坐速度5.41m/s、后坐到位速度3.16m/s、復(fù)進(jìn)開始速度-0.156m/s、復(fù)進(jìn)到位速度-1.974m/s。通過對(duì)上述數(shù)據(jù)的分析，槍機(jī)質(zhì)量增加100g，槍機(jī)的自動(dòng)循環(huán)時(shí)間延遲了7.6ms，在4個(gè)速度中最大后坐速度顯得尤為重要，其中最大后坐速度減小了1.91ms。顯而易見，通過仿真可以看出，增加槍機(jī)質(zhì)量能夠有限地降低槍機(jī)的最大后坐速度。

圖2 槍機(jī)質(zhì)量改變時(shí)，槍機(jī)運(yùn)動(dòng)速度曲線

圖3 槍機(jī)質(zhì)量改變時(shí)，槍機(jī)運(yùn)動(dòng)位移曲線

4 結(jié)語(yǔ)

（1）槍機(jī)的開鎖速度6.76m/s，后坐到位速度4.93m/s，復(fù)進(jìn)開始的速度0.165m/s復(fù)進(jìn)到位的速度2.07m/s，可見仿真結(jié)果與試驗(yàn)情況相一致。（2）在自動(dòng)機(jī)循環(huán)時(shí)間可控的范圍內(nèi)，增大槍機(jī)質(zhì)量可以降低槍機(jī)的后坐速度。通過手槍位移、速度的動(dòng)力學(xué)分析，能夠更好地理解該手槍在后坐和復(fù)進(jìn)過程中槍機(jī)的運(yùn)動(dòng)情形。