隋超杰，姚養(yǎng)無(wú)

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

自動(dòng)步槍屬于機(jī)械系統(tǒng)但又不同于普通的機(jī)械系統(tǒng)，其內(nèi)部構(gòu)造雖然比較簡(jiǎn)單，但是卻有許多復(fù)雜零件之間的接觸和碰撞。通過普通方法研究自動(dòng)步槍自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)是十分麻煩的，且具有危險(xiǎn)性。而通過仿真，建立自動(dòng)步槍自動(dòng)機(jī)的三維實(shí)體模型，在ADAMS環(huán)境中真實(shí)地模擬自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)就可以比較方便地研究其動(dòng)力學(xué)，而且具有省時(shí)、省力、省錢等眾多優(yōu)點(diǎn)，也無(wú)需考慮測(cè)試人員的安全問題。

1 自動(dòng)步槍虛擬樣機(jī)模型的建立

1.1 三維實(shí)體建模

利用UG和SoildWorks等專業(yè)的三維繪圖軟件建立自動(dòng)步槍各零件的三維圖，然后裝配到一起形成自動(dòng)步槍的三維實(shí)體模型，如圖1所示。

1.2 虛擬樣機(jī)模型的基本假設(shè)

在建模過程中，不需要將所有動(dòng)作以及零件都考慮進(jìn)去，要根據(jù)具體的仿真目的和需要合理地忽略或者刪減不必要的部分，在達(dá)到仿真目的的同時(shí)盡可能地簡(jiǎn)化模型。本模型的基本假設(shè)如下：①忽略保險(xiǎn)裝置的作用；②忽略拉殼鉤和拋殼挺的相互作用；③忽略一些小質(zhì)量非重要零件；④不考慮柔性體對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。

1.3 自動(dòng)步槍的虛擬樣機(jī)仿真模型

將裝配好的模型導(dǎo)入ADAMS中，對(duì)模型的各零部件進(jìn)行物理信息的定義，包括構(gòu)件名稱的修改，材料屬性的修改，獲取質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心坐標(biāo)。

本模型主要考慮自動(dòng)步槍的后坐，復(fù)進(jìn)和開、閉鎖等一個(gè)工作循環(huán)的仿真分析。整個(gè)模型中共有16個(gè)剛體，4個(gè)彈簧；平移副3個(gè)，每個(gè)限制5個(gè)自由度；固定副10個(gè)，每個(gè)限制6個(gè)自由度；接觸副12個(gè)，不限制自由度；圓柱副1個(gè)，每個(gè)限制4個(gè)自由度；模型的總自由度為12。ADAMS/View中的樣機(jī)模型如圖2所示。

圖1 自動(dòng)步槍裝配后的三維模型

圖2 ADAMS/View中的 樣機(jī)模型

2 載荷的確定

該自動(dòng)步槍上有眾多載荷，但根據(jù)研究的需要，我們只考慮導(dǎo)氣裝置上的作用力。

2.1 內(nèi)彈道分析

對(duì)自動(dòng)步槍進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，首先需要確定該武器的原動(dòng)力，只有施加了原動(dòng)力后，自動(dòng)步槍自動(dòng)機(jī)才能正常運(yùn)動(dòng)。而發(fā)射時(shí)的火藥氣體壓力就是其原動(dòng)力，因此我們首先需要求出火藥力，這就需要我們對(duì)該武器的內(nèi)彈道進(jìn)行求解。龍格－庫(kù)塔法是求解內(nèi)彈道的基本方法，通過查閱自動(dòng)步槍的內(nèi)彈道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用MATLAB程序擬合出了膛內(nèi)壓力曲線，見圖3。

2.2 導(dǎo)氣室作用力的確定

導(dǎo)氣室壓力ps可根據(jù)如下布拉文經(jīng)驗(yàn)公式求得：其中：b為時(shí)間系數(shù)；α為導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)系數(shù)；t為工作時(shí)間；S為活塞面積；Fs為氣室力；i0為膛內(nèi)壓力的單位全沖量；pd為彈頭經(jīng)過導(dǎo)氣孔瞬時(shí)的膛內(nèi)平均壓力；ηs為導(dǎo)氣裝置的沖量效率。

圖3 自動(dòng)步槍膛內(nèi)壓力－時(shí)間曲線

導(dǎo)氣裝置中的作用力屬于火藥氣體的作用力，而在ADAMS中無(wú)法模擬氣體作用力，所以需要導(dǎo)入樣條型數(shù)據(jù)以擬合成函數(shù)施加在導(dǎo)氣室活塞上。圖4為自動(dòng)步槍導(dǎo)氣室壓力－時(shí)間曲線。

圖4 自動(dòng)步槍導(dǎo)氣室壓力－時(shí)間曲線

3 某自動(dòng)步槍自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真

某自動(dòng)步槍自動(dòng)機(jī)仿真模型建立完畢后，就可以仿真出關(guān)鍵部位的速度－時(shí)間曲線，然后與試驗(yàn)數(shù)據(jù)做對(duì)比，如果曲線基本重合，說明所建立的仿真模型是比較準(zhǔn)確的，并可進(jìn)行相關(guān)的分析研究。圖5～圖7為仿真結(jié)果。

圖5 槍機(jī)框位移、速度－時(shí)間曲線

由圖5～圖7可知：發(fā)射彈丸之后，自動(dòng)機(jī)循環(huán)一次的時(shí)間大約為0.062 2s，槍機(jī)框最大后坐速度為9.467 2m/s，后坐行程為0.226 7m，槍機(jī)框后坐到位速度為3.901 5m/s，后坐到位后，自動(dòng)機(jī)在緩沖器簧、擊錘簧、復(fù)進(jìn)簧的作用下復(fù)進(jìn)，復(fù)進(jìn)時(shí)槍機(jī)框最大速度為5.789m/s；槍機(jī)在后坐過程中的最大速度為7.162 5m/s，復(fù)進(jìn)到位的速度為5.339 9m/s；擊錘和槍機(jī)的撞擊力最大可達(dá)到4 847.2N。

圖6 槍機(jī)位移、速度－時(shí)間曲線

圖7 槍機(jī)和擊錘接觸力－時(shí)間曲線

4 結(jié)論

通過建立某自動(dòng)步槍自動(dòng)機(jī)的虛擬樣機(jī)仿真模型，仿真分析得到該自動(dòng)步槍自動(dòng)機(jī)構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為槍械的研制分析提供了很好的依據(jù)，大大降低了制造試驗(yàn)的時(shí)間和費(fèi)用。

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