范智滕，王瑞林，李 濤，化斌斌，梁光建

（1.軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003；2.77627部隊(duì)，西藏拉薩 850000）

基于虛擬樣機(jī)的新型重機(jī)槍自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)分析

范智滕1，王瑞林1，李 濤1，化斌斌1，梁光建2

（1.軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003；2.77627部隊(duì)，西藏拉薩 850000）

為研究某新型重機(jī)槍自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，在分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，以該槍為研究對(duì)象，考慮射手和土壤邊界條件，利用ADAMS軟件，建立了該槍的動(dòng)力學(xué)模型。分析了3發(fā)連續(xù)射擊時(shí)槍機(jī)和內(nèi)機(jī)匣的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)比分析了槍機(jī)與槍機(jī)框的運(yùn)動(dòng)速度，并對(duì)其中的一個(gè)射擊循環(huán)進(jìn)行了深入研究。分別選取槍機(jī)和內(nèi)機(jī)匣速度為校驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)比分析仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了仿真分析的可信性，為該槍進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)分析、參數(shù)匹配及結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

新型重機(jī)槍；虛擬樣機(jī)；自動(dòng)機(jī)；動(dòng)力學(xué)仿真；運(yùn)動(dòng)分析

某新型重機(jī)槍是一種大口徑機(jī)槍，其主要戰(zhàn)術(shù)任務(wù)是壓制1 500m距離內(nèi)的敵火力點(diǎn)及輕型火器，毀傷1 500m距離內(nèi)的敵輕型車輛，封控2 000 m距離內(nèi)的峽谷道路、隘口，并殺傷敵集群有生目標(biāo)。該機(jī)槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在發(fā)射過(guò)程中，若采用傳統(tǒng)方法計(jì)算各主要部件的動(dòng)力學(xué)特性，因計(jì)算過(guò)程存在過(guò)多的簡(jiǎn)化與假設(shè)，結(jié)論會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，并且整個(gè)機(jī)槍系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性很難測(cè)量分析，尤其是內(nèi)部部件的動(dòng)力學(xué)特性更難以獲得，這對(duì)機(jī)槍主要部件的研究造成了一定的困難。

筆者以該新型重機(jī)槍為研究對(duì)象，通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)分析模型，對(duì)該槍自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析與校核，為該槍的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了一定的理論指導(dǎo)。

1 機(jī)槍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)原理

該機(jī)槍的結(jié)構(gòu)主要由槍管、復(fù)進(jìn)機(jī)、內(nèi)機(jī)匣、外機(jī)匣、供彈機(jī)等14個(gè)部件組成，創(chuàng)造性地采用了槍身浮動(dòng)、前沖擊發(fā)等技術(shù)手段，有效降低了武器后坐力，減小了武器射擊振動(dòng)，提高了武器射擊精度。槍身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看出，槍機(jī)框在內(nèi)機(jī)匣上運(yùn)動(dòng)，內(nèi)機(jī)匣與槍管浮動(dòng)于外機(jī)匣上，即以內(nèi)機(jī)匣和槍管為主的槍身浮動(dòng)于外機(jī)匣和槍架上，稱之為槍身浮動(dòng)原理；該槍擊發(fā)動(dòng)作是在內(nèi)機(jī)匣與槍管前進(jìn)的過(guò)程中發(fā)生的，故稱此擊發(fā)方式為前沖擊發(fā)。

機(jī)槍采用雙程輸彈，后坐脫鏈，復(fù)進(jìn)推彈，輸彈沖擊小，供彈平穩(wěn)；采用撞桿式剛性下方拋殼，拋殼可靠性高；復(fù)進(jìn)機(jī)與槍機(jī)框結(jié)合，增加自動(dòng)機(jī)后坐的有效質(zhì)量，保證武器可靠性，同時(shí)有利于武器減重。

2 動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.1 模型的基本假設(shè)

在研究工作中，忽略對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)影響微小的因素，主要基于以下假設(shè)展開(kāi)：

1）不考慮所有彈簧的慣性，并根據(jù)彈簧的類型，用ADAMS中自帶的彈簧代替。

2）忽略擊針的影響。

3）忽略推彈入膛摩擦力的影響。

2.2 模型的建立過(guò)程

為確保模型傳遞時(shí)的完整性，增加模型的仿真精度［1］，本模型通過(guò)Mechanism／Pro模塊導(dǎo)入到ADAMS軟件。

2.2.1 約束副的施加

整個(gè)機(jī)槍系統(tǒng)中共包含99個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，84個(gè)固定副、9個(gè)旋轉(zhuǎn)副、8個(gè)滑移副和27個(gè)實(shí)體碰撞，共有59個(gè)自由度。主要構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系如表1所示。

2.2.2 力的施加

在該機(jī)槍系統(tǒng)中主要存在的力有：彈簧力、接觸力、主動(dòng)力、阻力、支撐子系統(tǒng)對(duì)機(jī)槍的作用力以及射手對(duì)機(jī)槍的作用力。其結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖中，F(xiàn)dj為抵肩力；Ffd為浮動(dòng)簧力；Fbd為撥彈阻力；Ft為槍膛合力；Fck為抽殼阻力；Ffj為復(fù)進(jìn)簧力；Fq為氣室壓力；f1為槍機(jī)框與內(nèi)機(jī)匣間的摩擦力；f2為槍機(jī)與內(nèi)機(jī)匣間的摩擦力；f3為內(nèi)、外機(jī)匣間的摩擦力。

1）槍膛合力Ft

內(nèi)彈道時(shí)期公式為［2］

式中：ω為槍彈的裝藥量；φ1為虛擬系數(shù)；q為彈頭質(zhì)量；p為平均膛壓；pt為膛底壓強(qiáng)。

后效期的計(jì)算公式為［3］

式中：p為后效期某瞬間膛內(nèi)的平均壓強(qiáng)；pk為后效期開(kāi)始時(shí)膛內(nèi)平均壓強(qiáng)；e為自然對(duì)數(shù)的底；t為從后效期開(kāi)始算起的時(shí)間；A為常系數(shù)。

槍膛合力的計(jì)算公式為

式中：S為膛底橫截面積。

由此得到的槍膛合力曲線如圖3所示。

2）氣室壓力Fq

氣室壓力Fq的計(jì)算公式如下［4］：

式中：Fq為氣室對(duì)活動(dòng)機(jī)件的作用力；pd為彈頭經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔瞬間的膛內(nèi)平均壓強(qiáng)；b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時(shí)間參數(shù)；α為與導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)的參數(shù)；t為氣室壓力工作時(shí)間，t′≤t≤t″，t′為彈頭從起動(dòng)至導(dǎo)氣孔的時(shí)間，t″為后效期結(jié)束時(shí)間；S′為活塞的橫截面積。

計(jì)算得到的氣室壓力曲線如圖4所示。

3）ADAMS中主動(dòng)力施加的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)槍每個(gè)自動(dòng)過(guò)程的循環(huán)，必須在每次槍彈擊發(fā)時(shí)施加主動(dòng)力。因此通過(guò)函數(shù)（Function）來(lái)定義虛擬樣機(jī)中的主動(dòng)力，當(dāng)槍機(jī)框體與擊針接觸時(shí)開(kāi)始施加槍膛合力，當(dāng)槍彈通過(guò)導(dǎo)氣孔時(shí)開(kāi)始施加氣室壓力。

2.2.3 邊界條件的確定

對(duì)于射手邊界條件，將射手的抵肩作用簡(jiǎn)化成以集總參數(shù)表示的線彈性時(shí)不變系統(tǒng)，人體的作用完全可以通過(guò)一個(gè)施加在機(jī)槍尾端即槍托部分的集總參數(shù)模型來(lái)替代；對(duì)于土壤邊界條件，因?yàn)樵摍C(jī)槍后坐力較小，采用集總參數(shù)模型將駐鋤與土壤的相互作用問(wèn)題簡(jiǎn)化為具有圓形底面的剛性質(zhì)量塊與無(wú)限大、均質(zhì)、各向同性的線彈性介質(zhì)之間的相互作用問(wèn)題。由此，建立了機(jī)槍系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型［5-6］。

3 仿真結(jié)果的分析與校核

3.1 自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的仿真分析

3.1.1 槍機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析

機(jī)槍連發(fā)射擊時(shí)槍機(jī)運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖5所示。將槍口朝向定為運(yùn)動(dòng)的負(fù)方向，則圖中標(biāo)識(shí)1處為閉鎖過(guò)程，左側(cè)拐點(diǎn)為槍機(jī)復(fù)進(jìn)到位，右側(cè)拐點(diǎn)為閉鎖過(guò)程結(jié)束，擊針擊發(fā)底火。從圖中可以看出，擊發(fā)時(shí)刻槍機(jī)速度小于0，說(shuō)明擊發(fā)是在槍機(jī)前進(jìn)的過(guò)程中發(fā)生的，即前沖擊發(fā)。標(biāo)識(shí)2處為開(kāi)鎖過(guò)程，過(guò)程中左側(cè)拐點(diǎn)至右側(cè)拐點(diǎn)槍機(jī)速度有下降趨勢(shì)，是由于在此期間還未開(kāi)鎖，槍機(jī)的運(yùn)動(dòng)受到內(nèi)機(jī)匣的限制導(dǎo)致其速度減小。標(biāo)識(shí)3處，槍機(jī)受到槍機(jī)框的后坐撞擊，速度突然增加，隨后槍機(jī)與槍機(jī)框一起后坐。標(biāo)識(shí)4處為槍機(jī)與槍機(jī)框共同后坐到位時(shí)與內(nèi)機(jī)匣碰撞接觸導(dǎo)致速度突然降低。另外從圖中可以看出第1發(fā)的復(fù)進(jìn)過(guò)程和后3發(fā)相比，其速度明顯偏小，是因?yàn)樵谏鋼糸_(kāi)始時(shí)槍機(jī)靜止處于待發(fā)位置，而后3發(fā)復(fù)進(jìn)時(shí)槍機(jī)都有一定的初速，符合實(shí)際情況。

3.1.2 槍機(jī)與槍機(jī)框的運(yùn)動(dòng)對(duì)比分析

圖6所示為一個(gè)射擊循環(huán)過(guò)程中槍機(jī)相對(duì)于槍機(jī)框的運(yùn)動(dòng)速度曲線。

圖中階段1為槍機(jī)和槍機(jī)框復(fù)進(jìn)過(guò)程；階段2為閉鎖、擊發(fā)和開(kāi)鎖過(guò)程；階段3為后坐過(guò)程。

由圖中可以看到，大部分時(shí)間槍機(jī)與槍機(jī)框的速度是一致的，不一致的只有圖中圈出的四處。其中標(biāo)識(shí)1處，槍機(jī)因復(fù)進(jìn)到位與內(nèi)機(jī)匣碰撞導(dǎo)致速度減小，但槍機(jī)框會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，完成閉鎖、擊發(fā)動(dòng)作，所以槍機(jī)框的速度變化有所延遲。槍機(jī)在閉鎖過(guò)程結(jié)束時(shí)速度的突然增大是槍機(jī)框撞擊擊針繼而與槍機(jī)碰撞所致。標(biāo)識(shí)2處，槍彈運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)氣孔位置，槍機(jī)框受氣室壓力的作用速度繼續(xù)上升，而槍機(jī)受內(nèi)機(jī)匣的限制，速度有所下降，導(dǎo)致兩者的速度變化有所差異。開(kāi)鎖后槍機(jī)框帶動(dòng)槍機(jī)一起后坐，后坐過(guò)程中如圖中局部放大圖所示，槍機(jī)框和槍機(jī)的速度有細(xì)小的差別，這是槍機(jī)框與槍機(jī)中卡鐵的間隙所致，此間隙也導(dǎo)致了標(biāo)識(shí)3處兩個(gè)部件速度的差異。這都是符合實(shí)際情況的。

3.1.3 內(nèi)機(jī)匣的運(yùn)動(dòng)分析

機(jī)槍連發(fā)射擊時(shí)內(nèi)機(jī)匣的運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖7所示。從圖中可以看出機(jī)槍在發(fā)射過(guò)程中內(nèi)機(jī)匣大部分時(shí)間處于浮動(dòng)狀態(tài)。其中標(biāo)識(shí)1處，內(nèi)機(jī)匣速度為0，是由于內(nèi)機(jī)匣復(fù)進(jìn)過(guò)程中其掛鉤機(jī)構(gòu)使內(nèi)機(jī)匣靜止處于外機(jī)匣上，這個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)用使每發(fā)槍彈射擊時(shí)內(nèi)機(jī)匣與外機(jī)匣位置保持相對(duì)一致，保證了槍身浮動(dòng)的穩(wěn)定性。標(biāo)識(shí)2處，閉鎖后一起運(yùn)動(dòng)的槍機(jī)與內(nèi)機(jī)匣受到了槍機(jī)框的撞擊使內(nèi)機(jī)匣速度突然增大。標(biāo)識(shí)3處，內(nèi)機(jī)匣受槍膛合力的作用使之具有較大正向加速度，速度正向突然增大，之后又受氣室壓力反力的作用，使內(nèi)機(jī)匣有了負(fù)向的較大加速度，因此，其速度突升突降。標(biāo)識(shí)4處，內(nèi)機(jī)匣的速度由負(fù)突變?yōu)檎?，是因?yàn)闃寵C(jī)的后坐即將終了時(shí)，與剛開(kāi)始復(fù)進(jìn)的內(nèi)機(jī)匣有微小的碰撞。這也都是符合實(shí)際情況的。

3.2 自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的校核

圖8和圖9所示分別是槍機(jī)和內(nèi)機(jī)匣運(yùn)動(dòng)速度的試驗(yàn)測(cè)試曲線。通過(guò)與圖5和圖7的比較，發(fā)現(xiàn)曲線的變化趨勢(shì)基本一致，并且仿真計(jì)算結(jié)果與武器的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果誤差較小。

為了更加清晰的說(shuō)明仿真結(jié)果的可信性，表2和表3給出了機(jī)槍連發(fā)射擊時(shí)幾個(gè)具有代表性的槍機(jī)、內(nèi)機(jī)匣運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。

從表2和表3可以看出，槍機(jī)和內(nèi)機(jī)匣運(yùn)動(dòng)速度的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差均小于5%，符合虛擬樣機(jī)建立的要求，仿真結(jié)果具有較高的可信性。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者利用三維建模軟件和仿真分析軟件，建立了該新型重機(jī)槍的動(dòng)力學(xué)仿真模型，獲得了射擊過(guò)程中主要部件的動(dòng)力學(xué)特性，并深入剖析了其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及形成原因，通過(guò)對(duì)自動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可行性及計(jì)算精度，為下一步運(yùn)動(dòng)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)打下了良好的基礎(chǔ)。

（References）

［1］李濤，王瑞林，張軍挪，等.某型轉(zhuǎn)管機(jī)槍剛?cè)狁詈隙囿w發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2013，25（6）：1382-1387.

LI Tao，WANG Ruilin，ZHANG Junnuo，et al.Simulation of coupled rigid and flexible multi-body dynamics on the Gatling gun［J］.Journal of System Simulation，2013，25（6）：1382-1387.（in Chinese）

［2］金志明.槍炮內(nèi)彈道學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

JIN Zhiming.Gun interior ballistics［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2004.（in Chinese）

［3］李濤，王瑞林，吳海鋒.基于虛擬樣機(jī)的某型轉(zhuǎn)管機(jī)槍動(dòng)力學(xué)仿真［J］.機(jī)械設(shè)計(jì).2013，30（4）：89-91.

LI Tao，WANG Ruilin，WU Haifeng.Dynamic simulation analysis of Gatling gun based on virtual protomodel［J］.Journal of Machine Design.2013，30（4）：89-91.（in Chinese）

［4］張軍挪.某型重機(jī)槍結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與參數(shù)優(yōu)化［D］.石家莊：軍械工程學(xué)院，2007.

ZHANG Junnuo.Structure dynamics simulation and parameter optimization of a type of heavy machine gun［D］.Shijiazhuang：Ordnance Engineering College，2007.（in Chinese）

［5］李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

LI Zenggang.ADAMS detailed introduction and examples［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2006.（in Chinese）

［6］胡志剛，何卡曼.剛?cè)狁詈夏Ｐ驮跈C(jī)槍發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真中的應(yīng)用［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2008，（1）：35-38.

HU Zhigang，HE Kaman.Application of rigid-flexible multi-body coupling model in dynamics simulation of machine gun fire system［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2008，（1）：35-38.（in Chinese）

Kinematic Analysis of the New Heavy Machine Gun Automaton Based on Virtual Prototype

FAN Zhiteng1，WANG Ruilin1，LI Tao1，HUA Binbin1，LIANG Guangjian2

（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China；2.77627Unit of PLA，Lasa 850000，Tibet，China）

In order to study the automaton dynamic characteristics of a certain type of heavy machine gun，taking the machine gun as the study object，based on analyzing its structural characteristics and movement principle，the dynamics model of the machine gun was established with the help of considering the boundary conditions of shooter and soil and by use of ADAMS software.The kinematic characteristics of bolt and inner receiver in three rounds bursts of fire were analyzed.The movement velocity of bolt and bolt carrier were analyzed comparatively.And one of the firing cycles was studied in depth.Respectively choosing the velocity of bolt and inner receiver as the checkout target，the simulation results were compared with the test data，the feasibility of the simulation results was verified.The study results can provide the foundation for further movement analyzing，parameter matching and structural optimization of the machine gun.

new heavy machine gun；virtual prototype；automaton；dynamics simulation；kinematic analysis

TJ25

A

1673-6524（2014）02-0020-05

2013-11-18；

2014-01-17

范智滕（1990-），男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論與應(yīng)用研究。E-mail：zhitengfan＠163.com