一种弹性枪架对两种班组支援武器适应性研究

齐玉辉，罗少敏，管小荣，徐 诚

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)



一种弹性枪架对两种班组支援武器适应性研究

齐玉辉，罗少敏，管小荣，徐 诚

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

为提高班组支援武器模块化、通用化、系列化水平，减少部件品种，降低装备成本，提出了一种12.7 mm大口径机枪与25 mm口径榴弹发射器通用弹性枪架方案，建立了两种武器系统的有限元分析模型，计算了其固有特性和连发射击时的膛口振动响应，分析了该弹性枪架对两种班组支援武器的振动匹配和适应性问题。计算结果表明：两种武器系统各阶振型基本一致，固有频率差异不大，刚度匹配合理；连发射击时膛口的最大位移都偏大，但在弹丸出膛瞬间，其膛口位移都在一定范围内，系统动态稳定性良好，动力匹配合理，能满足发射响应和射击精度要求。该弹性枪架可兼容上述两种武器，采用同一枪架是可行的。

自动武器；弹性枪架；发射动力学；动力匹配；固有特性

模块化、通用化、系列化是轻武器当前发展趋势，受到世界各国重视，并已在手持自动武器方面取得重大进展[1-2]，但在座架式班组支援武器方面进展缓慢，其中一个主要原因就是枪架模块化、通用化技术未取得重大突破。大口径机枪和自动榴弹发射器是两种主要的班组支援武器[3-4]，通常需采用不同枪架来保证连发射击稳定性，生产成本高，可维修性差。研制一种通用枪架，能同时满足大口径机枪和自动榴弹发射器射击需求，是解决班组支援武器通用化、系列化问题的关键之一[5-6]。

近年来，美国在研制“理想班组支援武器”时，探讨了12.7 mm重机枪、25 mm榴弹发射器采用通用枪架的可行性，并已研制出采用浮动发射缓冲的通用枪架原理样机，进行了相关试验研究[6-8]。采用浮动发射缓冲的枪架上的后坐力小，枪架容易通用。与采用浮动发射缓冲的枪架不同，常规班组支援武器采用弹性枪架直接通过弹性变形来吸收发射能量以实现动态稳定发射，弹性枪架具有结构简单、质量轻和应用广等优点[9]，基于此，笔者所在课题组在国内率先开展了模块化班组支援武器研究[5-7]，提出了一种12.7 mm重机枪、25 mm榴弹发射器通用弹性枪架方案，并通过有限元计算证实了该通用弹性枪架对上述两种班组支援武器的兼容性，论证了不同班组支援武器采用通用弹性枪架的可行性，为加快座架式班组支援武器模块化、通用化、系列化进程提供了技术支撑。

1 弹性枪架设计与有限元模型建立

通用弹性枪架由上架和下架组成，如图1所示。上架包括摇架、托架、支撑杆、立轴、枪身紧定手柄等，枪身与上架可快速连接与拆卸；下架包括立轴座、制动手柄、齿板、方向限制器、架腿(3条)等。架腿为薄钢板结构，横断面近似矩形，且变截面、上粗下细。架腿一端与立轴座利用端面齿轮连接，另一端利用带有螺纹的左右紧定扳手连接。由于12.7 mm重机枪枪身和25 mm 自动榴弹发射器枪身采用模块化设计[5]，机匣通用，故与摇架的接口与紧定方式相同。该枪架与12.7 mm重机枪枪身连接构成12.7 mm重机枪系统，与25 mm自动榴弹发射器枪身连接构成班组支援榴弹发射武器系统。

笔者采用六面体单元划分网格，建立重机枪系统和自动榴弹发射器系统有限元模型，如图2所示。

为简化划分网格，作了如下简化：

1)忽略小孔、小槽、紧定手柄等小特征，将实体模型规则化。

2)将枪管与机匣、下架与上架固定联接，其中枪身通过左右对称的2个梯形槽与摇架上左右对称的梯形配合块固定联接。

枪架划分的单元数为23 643个，将机匣与枪管、枪身与枪架以刚体连接单元联接；重机枪系统枪身划分单元63 279个，整枪模型单元数为86 922个；自动榴弹发射器枪身划分单元45 875个，整枪模型单元数为69 518个。

表1 等效质量-刚度-阻尼计算公式

2 两种武器系统固有特性分析

计算获得的两种武器系统的固有频率分别如表2所示。计算的前六阶频率与样机模态试验获得的固有频率误差小于8%。对于同一阶模态，重机枪系统固有频率比自动榴弹发射器系统小，这是由它们的结构差异、特别是枪管长度不同造成的。重机枪系统理论射频为10.5 Hz，最低固有频率为18.78 Hz，与理论射频相差较大，故连发射击时不会出现共振现象。榴弹发射器系统理论射频为8.4 Hz，最低固有频率为18.89 Hz，故连发射击时也不会出现共振现象。在表2中，重机枪第1阶固有频率为18.78 Hz，是理论射频的1.79倍，第2阶固有频率至第5阶固有频率是射频的1.99～2.28倍，按振型叠加理论，连发射击时该段频率会对下一发弹膛口射击点产生影响，而其他高阶频率对其影响较小。自动榴弹发射器系统第1阶至第3阶固有频率是射频2倍左右，会影响下一发弹膛口射击点，其他高阶频率较高，连发时对下一发弹膛口射击点影响不大。

表2 两种武器系统固有频率比较 Hz

图3给出了两种武器的主要典型振型，计算结果表明：12.7 mm重机枪的第1阶振型是弹性枪架左右2个脚架的内摆振动；第3阶振型主要是3条架腿上下振动与枪管高低振动的叠加；第5阶振型主要弹性枪架前脚架上下摆动与枪管高低振动的叠加。25 mm自动榴弹发射器第1阶、第3阶振型与12.7 mm重机枪有所不同，主要是弹性枪架的前3阶振动变形，没有枪管和枪身振动变形的叠加，从第3阶开始的以后各阶振型与12.7 mm重机枪基本相似。两种武器系统的最大振动变形都发生在枪架的3条架腿和枪管部分，其中弹性枪架的3条架腿在吸收发射能量方面起到了主导作用，达到了设计要求，说明弹性枪架设计合理。两种武器系统的另一振动变形主要发生在枪管部分，这是由枪管细长、刚度小所致，两种武器枪管的差异是前3阶振型差异的主要原因。

3 两种武器系统连发发射膛口响应分析

两种武器发射时承受的膛压作用如图4 所示，两者差异较大。

在两种武器系统有限元模型上，分别施加各自膛底压力，导气室前壁的火药气体压力，后坐到位时枪机框对枪尾的撞击力和复进到位时枪机框对枪管端面的撞击力，其中膛底压力由内弹道获得，导气室火药气体压力由布拉文公式计算获得：

(1)

式中：pd是弹丸经过导气孔瞬间的膛内平均压力;α是与导气装置结构有关的结构系数;b是与膛内压力冲量有关的时间常数;t是导气室压力工作时间;t″是弹丸由导气孔到膛口的运动时间。

两种武器导气装置气体压力计算参数如表3所示，表中ss是枪膛横断面面积。

表3 导气装置气体压力计算参数

两种武器自动机撞击力如表4所示，由自动机虚拟样机模型计算获得。

表4 两种武器系统后坐和复进到位撞击力(一个自动机运动循环内)

武器类型后坐到位撞击力作用时刻/s最大值/N作用冲量/(N·s)重机枪0.0371500011.80榴弹发射器0.0391185810.52武器类型复进到位撞击力作用时刻/s最大值/N作用冲量/(N·s)重机枪0.10131010010.10榴弹发射器0.1180100249.36

由于两种武器发射系统可以近似为线弹性系统，利用模态叠加法求解武器均匀发射过程中的动态响应，计算连发匀速射击状态采用同一个枪架两种武器系统的动态响应。膛口发射响应计算结果如图5所示。

每发射1发子弹，膛口从大到小依次出现几个大振荡峰值，其中第1振荡峰值出现时刻略后于膛压出现时刻和后坐撞击力作用时刻。重机枪载荷强迫振动周期是100.1 ms, 榴弹发射器强迫振动周期是120.0 ms,两种武器连发射击时膛口振动不产生叠加效应。在膛口的2个振动方向上，上下振动幅度最大，重机枪上跳最大达到14.0 mm，榴弹发射器上跳最大达到4.5 mm，重机枪上跳最大幅度是榴弹发射器的3.1倍；重机枪左右方向响应量最大为2.2 mm,比上下方向响应量小很多，榴弹发射器左右方向不超过1.2 mm，这是由武器系统左右近似对称所致。

在射击过程中，弹性枪架作为主要的吸能部件之一，通过弹性变形减小作用在枪架上的力，并吸收后坐能量，对全枪系统的射击精度和动态稳定有着很大的影响。枪架前架杆中部单元应变能响应如图6所示。

在研制自动武器时，由于武器质量限制，抑制膛口最大跳动量较困难，但如果能保证弹丸出膛口瞬间响应量较小，或连续射击的每一发响应基本一致，也会有较好的射击精度，符合自动武器动态稳定性设计准则，即武器连发射击时，允许武器系统振动和跳动，如果能使弹丸出膛口瞬时的射向基本一致，就可以满足自动武器连发射击精度要求。

表5是采用同一弹性枪架的两种武器弹丸出膛口瞬时的膛口位移响应量。

表5 两种武器系统弹丸出膛瞬时膛口位移响应量

从表中可以看出，尽管它们膛口位移跳动量都较大，但在弹丸出膛口瞬间，膛口射击点位移都很小，能满足动态稳定性和射击精度要求。进一步分析可发现，第1和第2发弹膛口的上下摆动方向位移有差异，这是因为射击第1发弹后武器系统的射向在发射载荷的作用下产生的振动，在第2发弹射击前未能完全恢复到射击前的姿态，但第3～6发弹弹丸出膛口时膛口位移基本一致，膛口振动量并未累加，达到了动态平衡，武器连发精度能得到保证。对比两种武器系统弹丸出膛口时膛口位移值可看出，榴弹发射器的位移值比重机枪小，这是由于榴弹发射器枪管较短、膛内压力较小的缘故。

4 结论

笔者提出了12.7 mm重机枪和25 mm自动榴弹发射器通用弹性枪架技术方案，采用有限元建模与分析方法研究了通用弹性枪架对两种武器的兼容性及其机理，为新一代班组支援自动武器枪架通用化提供了科学依据和技术途经。研究结果表明：

1)12.7 mm重机枪和25 mm自动榴弹发射器采用同一个通用弹性枪架是可行的。

2)通用弹性枪架可以兼容两种不同口径自动武器的主要原因是：采用通用弹性枪架后，12.7 mm重机枪系统和25 mm自动榴弹发射器系统的主要振型基本一致，固有频率差异不大，刚度匹配合理；尽管发射过程中两种武器系统的膛口最大位移都偏大，但在弹丸出膛口瞬间，膛口射击点位移都在一定范围内，两种武器系统动力匹配及动态稳定性较好，因此能满足射击精度要求。

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Study on the Adaptability of a Flexible Stack to Two Crew Served Weapons

QI Yuhui, LUO Shaomin, GUAN Xiaorong, XU Cheng

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu，China)

For the purpose of improving modularization, generalization, serialization levels of crew served weapons, reducing part variety and lowering equipment cost, the project of a general flexible stack for 12.7 mm heavy machine guns and 25 mm automatic grenade launchers was advanced. With the finite element models of these two weapon systems established, an analysis was made of their diffe-rences of natural frequency, vibration shape, launching vibration response. A study was made of the adaptability to the above two crew served weapons. Calculation results show that their all-order vibration shapes are almost uniform with the differences of natural frequency not being obvious and with the stiffness matching reasonably. When launched continuously, although the maximum muzzle displacements of these above two weapon systems are a bit too large, the muzzle displacements are both within limits as the projectiles reach muzzles. The dynamic stabilities of these above two weapon systems are all right, and their dynamics also match reasonably, which meets the requirements of launching response and the firing accuracy. It shows that the above two weapons are compatible on the same flexible stack, and the flexible stack can be adopted for both weapons.

automatic weapon; flexible stack; launch dynamic; dynamics match; inherent charac-teristic

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.03.001

2015-10-24

国家自然科学基金项目(51575279)

齐玉辉(1977—)，男，副研究员，主要从事自动武器模块化设计方法与理论研究。E-mail：yhqi@njust.edu.cn

TJ25

A

1673-6524(2016)03-0001-05