基于ADAMS机枪射击稳定性动力学仿真分析

黄　晓，金永灿，赵东艳，廖振强，张茂文

(1.中国兵器工业第二〇八研究所，北京　100000； 2.南京理工大学 机械工程学院，南京　210094；

3.中国人民解放军73106部队，江苏 淮安　223311)



基于ADAMS机枪射击稳定性动力学仿真分析

黄晓1，金永灿2，赵东艳1，廖振强2，张茂文3

(1.中国兵器工业第二〇八研究所，北京100000； 2.南京理工大学 机械工程学院，南京210094；

3.中国人民解放军73106部队，江苏 淮安223311)

摘要：针对大口径机枪射击稳定性低的问题，提出一种利用膛内火药气体能量来减小枪口跳动的稳定控制装置；鉴于枪管在稳定力作用下会发生变形，采用一种支架装置来加强枪管的刚度；基于刚柔糅合、多柔体动力学理论，以ADAMS、Matlab软件为平台，对改进后的机枪进行仿真，枪口跳动的最大位移值下降了46%，脚架振动的最大位移值下降了41%，射击稳定性得到明显提高。

关键词：射击稳定性；机枪；动力学仿真；ADAMS

本文引用格式：黄晓，金永灿，赵东艳，等.基于ADAMS机枪射击稳定性动力学仿真分析[J].兵器装备工程学报，2016(1):40-42.

Citation format:HUANG Xiao, JIN Yong-can, ZHAO Dong-yan, et al.Dynamic Simulation Analysis on Firing Stability of Machine Gun Based on ADAMS[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):40-42.

现代战争对武器作战时的机动性要求较高，武器系统轻量化发展趋势已越来越明显，而射击稳定性是武器系统轻量化所必须考虑的核心性能指标。近些年来，很多学者对射击稳定性提出新的见解，认为射击稳定性和射击精度密切相关。因此，射击稳定性应该定义为：机枪在射击时,无论机枪是否跳动,只要能够保证弹丸出膛口瞬时的射向误差在一定的允许范围内,就认为该机枪的射击是稳定的[1]。

杜忠华[2]建立了某火炮系统后坐和复进时的稳定性分析数学模型，分析了火炮稳定条件以及射角、驻锄长度及驻锄埋深等参数对火炮射击稳定性的影响。陈明[3]建立了某机枪的多刚体动力学模型，以连发射击时枪口的位移响应为射击稳定性的评价标准，分析了自动机对机匣撞击刚度和阻尼、土壤的刚度和阻尼等结构参数对射击稳定性的影响规律。王瑞林[1,4]提出了3种射击稳定性原理，建立了某机枪的稳定性力学模型，并分析了影响机枪射击稳定性的因素。

为提高机枪的射击稳定性，本文提出了一种结构改进方案，对机枪结构做出相应改进，并进行动力学仿真，为提高机枪系统射击稳定性提供参考。

1稳定控制装置设计

在不改变机枪的自动方式和内部结构的情况下，设计一种稳定控制装置来减小枪口跳动，鉴于枪管在稳定力作用下会发生变形，设计了一种支架装置来加强枪管的刚度。

稳定控制装置由中央导气室和喷管组成，为了不影响射击时瞄准，设计两个喷管，气体朝两个斜向上的方向高速喷出，从而产生一个垂直向下的气流反推力，为了便于表述，又称之为稳定力。稳定装置沿枪管轴线方向的剖面结构示意图如图1所示，与枪管的装配如图2所示。

图1　稳定控制装置的结构示意图

图2　稳定装置安装位置示意图

在安装稳定装置后，枪管受到稳定装置的气流反推力时会发生变形，在枪管上安装一个支架来提高枪管的刚度。由于枪管与导气箍、提把没有相对运动，故虚拟样机模型中以添加固定副的形式将它们连接在一起如图3所示。

图3　结构改进后的机枪整体结构示意图

2安装稳定装置后的火药气体压力计算

由于膛内部分火药气体流入稳定控制装置内，会引起膛内压力、导气室压力和弹丸初速的变化，所以有必要在安装稳定装置后重新计算火药气体压力。

对稳定控制装置进行气体动力学计算主要分为3部分：通过内弹道和后效期方程，可以计算出稳定装置导气孔处的膛内火药气体的温度Tx、压力Px和密度ρx的变化规律曲线。火药气体由导气孔流入中央导气室内，气体参数变化可以参照第三章导气室内气体计算方程。火药气体经中央导气室后由喷管高速喷出，其过程可按照准一维非定长流的方程进行求解。

2.1火药气体弹道基本方程

因为膛内部分火药气体会流入稳定装置内，膛内火药气体弹道基本方程做如下修改：

qmb1为中央导气室流入秒流量；ei1为流入中央导气室单位质量气体所具有的能量。

2.2中央导气室气体压力计算

火药气体由导气孔流入中央导气室内。中央导气室内气体密度变化方程：

qmb1为中央导气室流入秒流量；qmq1为中央导气室流出秒流量；Vq01为中央导气室的容积；ρq1为中央导气室气体密度。中央导气室内压力变化方程：

ei1表示流入中央导气室单位质量气体所具有的能量；eq1表示从气室流出的单位质量气体所具有的能量；pq1和Tq1分别为中央导气室内气体的压力和温度。

中央导气室内气体满足理想气体状态方程，即

流量方程：

qmq1=NvpρpSp

N为喷管数量；vp、ρp、Sp为 喷管流入气体的速度、密度以及喷管初始截面积。

2.3喷管内气流参数计算

将喷管内气体流动的过程视为准一维非定常流动，并提出以下基本假设来简化问题：

喷管内气流参数与喷管径向距离无关，只与喷管轴向距离x和时间t有关。喷管内壁气体的摩擦和散热满足雷诺比拟关系。由于在每次射击过程中，喷管起作用时间非常短，为十几个毫秒，所以假设喷管内壁温度为一常数。

下面给出考虑喷管截面积变化、管壁摩擦和散热的准一维非定常流守恒型方程组：

p、ρ、T、v、e分别是气体压力、密度温度、速度和比内能。q、Z分别是单位时间管壁对单位质量气体的传导热和管壁的摩擦。

2.4稳定装置气流反推力计算

由动量定理确定气流反推力公式：

ρe、ve、Pe和se为喷管出口处气流的密度、速度、压强和喷管出口截面积，Pa为大气压强；N为喷管数量；β为喷管轴线与垂直方向夹角。

3仿真结果分析

建立好安装稳定装置和支架后的机枪虚拟样机模型，运用ADAMS软件进行动力学仿真[6]。由于结构改进后膛压和导气室压力下降，枪管刚度得到提高，以下分析机枪的动态响应情况，并与原仿真结果进行对比。

3.1枪口动态响应分析

由图4可知：子弹击发后，火药气体作用于膛底形成翻转力矩引起枪口上跳，枪口位移逐渐增大；当子弹运动经过稳定装置位置后，稳定装置形成的气流反推力抑制了枪口继续上跳，所以弹丸出膛口瞬间枪口跳动值明显减小。由于枪管安装支架后刚度提高，枪口跳动位移在整个射击过程中都有不同程度的减小。

弹丸出膛口时刻为子弹击发时刻开始，再经过短暂的内弹道时间。通过设置一个传感器，可以捕捉到弹丸出膛口时刻枪口的跳动位移值[5]。由于结构改进后内弹道信号的触发时间有延迟，所以结构改进后弹丸出膛口时刻也相应的有小幅度的延迟。

图4　结构改进前后枪口高低方向的位移曲线对比

机枪在结构改进前后，弹丸出膛口时刻枪口在高低方向上的位移值如表1所示。

表1　弹丸出膛口时刻枪口的位移值对比　mm

3.2脚架动态响应分析

由图4、图5可知：机枪在结构改进前后脚架在高低方向的位移响应和枪口高低方向的位移响应比较一致，在整个射击过程中都有不同程度的减小。

图5　结构改进前后脚架高低方向的位移曲线对比

4结论

本文将稳定装置应用于机枪系统，以ADAMS仿真软件为平台进行动力学仿真，通过对比可以看出，机枪结构改进后，枪口跳动的最大位移值下降了46%，脚架振动的最大位移值下降了41%，在机枪每一发射击过程中，弹丸出膛口瞬间枪口跳动位移都有明显下降，其最大值下降了53%，机枪的射击稳定性得到明显提高。

参考文献：

[1]王瑞林.大口径机枪动力学特性与射击精度研究[D].南京：南京理工大学,2003.

[2]杜中华,黄涛,吴大林.火炮射击稳定性数值仿真[J].机械工程师,2014(4):97-100.

[3]陈明,马吉胜,王瑞林.基于虚拟样机的机枪结构参数对射击稳定性影响规律研究[J].兵工学报,2008,29(10):1167-1171.

[4]王瑞林,陈运生,郝跃伟.机枪相对稳定性理论与模型建模[J].南京理工大学学报(自然科学版),2004.10,28(5):472-476.

[5]李佳圣.三脚架支撑转管机枪动系统动力学建模与气动力控制振动研究[D].南京：南京理工大学,2014.

[6]陈立平,张云清.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.

[7]岳炯,于存贵，汪国梁，等.基于响应面法的某火箭炮结构参数优化 [J].兵工自动化，2015(9):83-86.

(责任编辑周江川)

【装备理论与装备技术】

Dynamic Simulation Analysis on Firing Stability of

Machine Gun Based on ADAMS

HUANG Xiao1, JIN Yong-can2, ZHAO Dong-yan1, LIAO Zhen-qiang2, ZHANG Mao-wen3

(1.China Ordnance Industry 208thInstitute，Beijing100000，China; 2.College of Mechanical Engineering，

Nanjing University of Science & Technology，Nanjing 210094，China；

3.The No. 73106thTroop of PLA, Huaian 223311, China)

Abstract:Aiming at the problem of low firing stability of large caliber machine gun, a stability control device using the energy of the propellant gas was proposed to reduce the jump of the muzzle. Considering the deformation of the barrel under the force of stability control device, a bracket device was applied to improve stiffness. The machine gun that has been changed was simulated to verify the firing stability of machine gun by using ADAMS and Matlab software based on rigid-flexible coupling and mufti-degree flexible-body dynamics theory. The maximum displacement value of the muzzle is decreased by 46%. The maximum displacement of tripod vibration is decreased by 41%, and the firing stability improves a lot.

Key words:firing stability；machine gun；dynamic simulation；ADAMS

文章编号：1006-0707(2016)01-0040-04

中图分类号：TJ25

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.009

作者简介：黄晓(1981—)，女，主要从事机械设计研究。

基金项目：国家自然科学基金(51375241；51376090)

收稿日期：2015-07-27；修回日期：2015-08-15