王 瑞,姚養(yǎng)無，張曉東

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

霰彈槍發(fā)射過程時(shí)間非常短,但是它的運(yùn)動(dòng)和受力情況極其復(fù)雜。采用多剛體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)自動(dòng)武器進(jìn)行建模和仿真[1-2]，可以全面分析研究武器的發(fā)射過程的動(dòng)態(tài)特性。本文以某型霰彈槍為研究對(duì)象，利用UG和動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了該霰彈槍的虛擬樣機(jī)模型[3-5]，對(duì)該槍的發(fā)射過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析。

1 霰彈槍發(fā)射過程分析

某霰彈槍是一種半自動(dòng)霰彈槍，采用槍管短后坐自動(dòng)方式、槍機(jī)回轉(zhuǎn)式閉鎖機(jī)構(gòu)、彈倉式供彈具。槍機(jī)回轉(zhuǎn)開鎖，開鎖后，向后運(yùn)動(dòng)的槍管受到限制停止運(yùn)動(dòng)，而槍機(jī)、槍機(jī)框繼續(xù)后坐，當(dāng)槍機(jī)與槍管分離時(shí)進(jìn)行拋殼；在槍管復(fù)進(jìn)簧作用下槍管先復(fù)進(jìn)到位，槍機(jī)單獨(dú)后坐到位后在慣性簧作用下復(fù)進(jìn)，復(fù)進(jìn)過程中完成槍機(jī)剛性回轉(zhuǎn)閉鎖。其結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖1。

2 虛擬樣機(jī)模型的建立

2.1 基本假設(shè)

為了便于仿真，在不影響模型合理性的前提下作如下假設(shè)：

1) 各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件(除彈簧外)為剛體；

2) 自動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在過槍膛軸線的垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，且受力也在該平面內(nèi)。

2.2 模型建立

全槍由滑膛槍管、自動(dòng)機(jī)、擊發(fā)機(jī)構(gòu)、彈倉及槍托等組成。根據(jù)各零件的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用三維繪圖軟件UG繪制該槍的實(shí)體模型，隱藏不涉及本文研究?jī)?nèi)容的零部件后，將裝配好的模型導(dǎo)出為.x_t格式文件，再將其導(dǎo)入ADAMS中，建立好的虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

3 載荷添加

該槍在發(fā)射過程中，主要受到膛底合力、碰撞力、彈簧力和阻力的作用。

3.1 膛底合力

運(yùn)用經(jīng)典內(nèi)彈道計(jì)算模型得到平均膛壓曲線如圖3所示。將膛壓曲線利用ADAMS導(dǎo)入生成Spline曲線,用AKISPL函數(shù)加載膛壓到槍機(jī)，根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式，膛底壓強(qiáng)和平均膛壓的轉(zhuǎn)化公式為式(1)，膛底合力計(jì)算公式為式(2)：

(1)

Fsh=SpT

(2)

式中：pT為膛底壓強(qiáng)(MPa)；p為平均膛壓(MPa)；ω為裝藥量(kg)；φ1為彈丸質(zhì)量虛擬系數(shù)；q為彈丸質(zhì)量(kg)；Fsh為膛底合力(N)；S為槍膛橫截面積(m2)。

3.2 碰撞力

運(yùn)用ADAMS提供的Impact沖擊函數(shù)給模型施加碰撞力，其力學(xué)模型為

式中：k為剛度；δ為穿透深度；C為阻尼；n為力指數(shù)。

3.3 彈簧力

在霰彈槍中有壓縮彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧，參數(shù)如表1、表2所示。其中：k1為壓縮彈簧剛度系數(shù)；k2為扭轉(zhuǎn)彈簧剛度系數(shù)；F0為預(yù)載荷。

表1 壓縮彈簧參數(shù)

表2 扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù)

3.4 阻力

自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力主要是抽殼阻力，抽殼阻力根據(jù)近似公式確定。

4 約束關(guān)系

在添加載荷后，還要對(duì)各部件之間添加約束，主要活動(dòng)部件的約束關(guān)系如表3所示。

表3 主要構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副約束

5 模型驗(yàn)證

將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，選擇槍機(jī)框速度作為模型的驗(yàn)證指標(biāo)。v是各特征點(diǎn)的速度，e是相對(duì)誤差。由表4可知，仿真結(jié)果各特征點(diǎn)速度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，說明該模型較為合理。

表4 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照

6 仿真結(jié)果

霰彈槍的虛擬樣機(jī)模型建立完成后，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。主要活動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)特性如圖4、圖5、圖6所示。

由圖4可知，槍機(jī)框在0.015 s時(shí)達(dá)到最大后座速度7.72 m/s，槍機(jī)框復(fù)進(jìn)最大速度為4.48 m/s，該槍在一次射擊中，由于自動(dòng)機(jī)構(gòu)件的各部分之間會(huì)發(fā)生碰撞，造成槍機(jī)框的速度發(fā)生多次突變。

由圖5可知，槍機(jī)和槍機(jī)框一起運(yùn)動(dòng)，最大后座速度為7.65 m/s,最大復(fù)進(jìn)速度為4.73 m/s。槍機(jī)是自動(dòng)機(jī)的主要構(gòu)件，槍機(jī)與槍機(jī)框、機(jī)匣、槍管之間產(chǎn)生大量的沖擊載荷。

由圖6可知，槍管和閉鎖構(gòu)件一起后坐運(yùn)動(dòng)，在0.015 s時(shí)達(dá)到最大后座速度，0.029 s時(shí)后坐到位開始復(fù)進(jìn)，0.055 s時(shí)完成復(fù)進(jìn)到位。后坐與復(fù)進(jìn)過程中槍管與槍機(jī)、機(jī)匣之間會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷。

武器在發(fā)射過程中因各部件之間發(fā)生碰撞會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷。由圖7可知，a表示開鎖時(shí)槍管對(duì)槍機(jī)的沖擊載荷；b表示在剛開始后坐時(shí)，槍管與槍機(jī)發(fā)生碰撞產(chǎn)生的沖擊載荷為 8 745 N；c表示槍管復(fù)進(jìn)到位時(shí)槍管與機(jī)匣的沖擊載荷；d表示槍機(jī)復(fù)進(jìn)到位與槍管的沖擊載荷，為9 374N；e表示槍機(jī)框復(fù)進(jìn)到位通過槍機(jī)對(duì)槍管的沖擊載荷。

7 結(jié)論

基于ADAMS建立了某霰彈槍的動(dòng)力學(xué)模型，確定了膛底合力、碰撞力、彈簧力、阻力和約束關(guān)系，對(duì)發(fā)射過程進(jìn)行仿真。通過仿真得到了主要活動(dòng)構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)特性，驗(yàn)證了模型的合理性，分析了活動(dòng)構(gòu)件產(chǎn)生碰撞對(duì)自動(dòng)機(jī)的影響。該霰彈槍自動(dòng)機(jī)模型可以完成自動(dòng)循環(huán)動(dòng)作，為該槍的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

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