基于ADAMS机枪射击稳定性动力学仿真分析

王虹琴, 苏铁熊，王东华，冯振飞，季淑媛

(中北大学, 太原 030051)

【火炮和自动武器】

基于ADAMS机枪射击稳定性动力学仿真分析

王虹琴, 苏铁熊，王东华，冯振飞，季淑媛

(中北大学, 太原 030051)

针对12.7 mm机枪射击稳定性低的问题，提出一种利用胶泥吸收能量来减小枪口跳动的缓冲装置；鉴于枪管在受到炮膛合力这个后坐力的作用时会整体向后后坐，采用胶泥缓冲装置对炮膛合力抵消，缓冲掉一部分能量，从而减小后坐力,减小翻转力矩，提高稳定性；基于内弹道理论、机枪后坐动力学，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下降了12%，射击稳定性得到明显提高。

射击稳定性；12.7 mm机枪；动力学仿真；ADAMS

现代战争对武器作战的机动性要求越来越高，射击稳定性是武器轻量化所必须考虑的一个性能指标。射击稳定性与射击精度息息相关。射击稳定性可以定义为机枪在射击时，不管机枪是否跳动，只要保证弹丸出膛口瞬时的射向误差在一定的允许范围内，就认为机枪的射击时稳定的[1]。

1 胶泥力学特性

设计一种胶泥缓冲器来代替传统的弹簧缓冲器，传统的弹簧缓冲器冲击大反弹大，且长期使用容易变形，胶泥缓冲器可以克服这些缺点。胶泥材料引入缓冲、减振设备的目的主要由于胶泥既有固体的弹性，又有液体的流动性，这使得胶泥可以同一运动中即利用弹性储蓄了复位所需的能量，又利用胶泥的流动阻尼性起到耗能的作用。在同一次运动中有同一种材料可以完成两种不同的任务，这可以大大简化缓冲器的结构同时还可以改善缓冲器的密封特性[2]。但是，胶泥的配方不同，材料的力学特性就不同，因此，研究胶泥材料的力学特性也是解决缓冲器性能的关键。如(图1)是胶泥的Maxwell模型，简化成一个弹簧与阻尼的串联结构。

图1 胶泥阻尼原件

1.1 预压力F0

缓冲器预压力产生的原理是依靠将大于缓冲器容量的胶泥压入缓冲器产生预压体积变形，因此，缓冲器预压力计算公式：

(1)

其中：V0为胶泥预压体积。

胶泥预压体积、胶泥体积以及缓冲器容量满足如下代数关系：

V=V0+Ve

(2)

式中：Ve为缓冲器容量。

预压力不可过大，如果过大需要很大的后坐力才能使缓冲器开始工作，这样就会造成撞击增加枪体的不稳定性影响射击精度；也不可过小，如果过小则达不到应有的缓冲效果。一般预压力用于抵消摩擦力和重力的分力。在设计过程中，缓冲器容量通常是已知量，其它两个是未知数，可以根据已知关系求出。

1.2 胶泥体积压缩产成的弹性力 fs

由胶泥的特性可知，在缓冲器工作过程中，由于胶泥体积压缩会有弹性力产生，其大小也是衡量胶泥性能的指标之一，它与胶泥本身的储能模量有关。

计算缓冲器弹性力时，由于将胶泥与缓冲器结合起来考虑，储能模量使用起来非常不方便，因此借鉴流体力学中描述可压缩流体的压缩性的体积模量概念来计算。

体积模量的定义：当流体的温度保持不变时，单位体积变化引起的压力变化称为体积模量，用E表示。

(3)

由体积模量的定义可知：

(4)

则：

(5)

式中：A为缸桶内径横截面;V为胶泥体积;Ah为活塞截面;x为活塞行程。

1.3 由胶泥粘滞阻尼产生的阻尼力fv

为了建立阻尼力和缓冲器实际物理参数的关系，作如下假设：

1) 阻尼器活塞以恒速v运动；

2) 阻尼通道的间隙尺寸远小于缓冲器缸体的内径尺寸；

3) 胶泥材料为各向同性流体。

4) 胶泥流动时在管壁处无滑移。

根据假设2)，可以将阻尼通道的同心环型间隙在平面展开成平行板间的流动问题，如图2所示。

图2 胶泥平行板流动

则平板长L为胶泥的等效工作长度；平板的等效宽度为

(7)

其中:R1和R2分别为缸体内径和活塞外径；平行板间的板间距h=R1-R2，h为同心环的间隙高度。

为了分析胶泥对活塞的阻尼力，从缓冲器缸体与活塞之间的流体取出一个微小长方体单元。一个面取至缸体内表面， 另一个面取至活塞的表面。由于两个面较小可以将其近似看作平行面， 并且两者之间的距离为h(见图3)。则该微单元体的流动情况可以假设为两平行板之间的流动，其中一板静止不动， 另一板突然以速度U运动，根据假设(d)，可知胶泥在上、下板处的流速分别为：vs=0，vX=-U。

图3 胶泥流动速度分布

由以上分析可知，胶泥速度与缓冲器速度并不一致，但是存在一定关系，为了研究胶泥在缓冲器中产生的阻尼力大小，关键问题是解决胶泥流速与缓冲器活塞杆运动速度的关系。对于所考虑的问题，将胶泥流度写成如下表达式：

(8)

1若宝宝烫伤较严重，除去衣服时，已有明显的红色渗水的创面（表皮已烫掉）就不要再用水冲洗，以免感染；也不要把冰块直接放在伤口上降温，以免皮肤组织冻伤。应用庆大霉素加生理盐水擦拭患处，用纱布严密包裹后，立即送医院进行治疗。

(9)

式中:ρ为胶泥密度;τ为应力。

胶泥的本构方程为：

(10)

连列方程(1-7)和方程(1-8)，消去应力张量σ，得到关于速度的方程：

(11)

式中μ为胶泥动力黏度。

根据假设4)可知边界条件为：

u(0,t)=-U

u(h,t)=0

可解得流体速度表达式，由于方程中带有分数微分，求解过程繁琐，而经典的Maxwell粘弹性模型推导的结果是二阶微分，因此考虑将分数微分化简为正数二阶微分求解，在结果中增加一个速度相关指数n用来符合公式误差和实际误差，带入边界条件求的：

(12)

式中，λ=μ/G，为胶泥松弛时间，将其代入上式，则：

(13)

由于冲击总是瞬间完成， 所以最关心的是活塞和缸体之间相对运动引起的流体流动的瞬时速度。

(14)

为了简化计算将流体速度带入经典的Maxwell模型，得流体阻尼其内部剪切力的近似计算公式为：

τ=Kμeθ(h+y)U

(15)

式中：K为切应力系数，取决与冲击实验环境;θ为补偿系数。

为了提高缓冲器的回弹速度，拟定取消环形间隙，即h=0和y=0位置(活塞边缘及取消活塞与缸筒间的环形间隙)时流体的切应力计算公式为：

τ=Kμeθ*0U

(16)

因此，胶泥流体产生的阻尼力计算公式：

fv=τA=KμU·πdl

(17)

式中：d为活塞的直径;l为活塞的长度。但是，根据大量实验以及参考文献中的叙述，阻尼力公式并不一定与活塞速度呈线性关系。因此在该公式的基础上做一定的改进如下：

fv=τA=KπdlμUn

(18)

改进公式在原推导理论公式的基础上，增加了一项速度相关指数作为速度的指数，使阻尼力公式更加真实。

因此，缓冲器的后坐式的阻抗力计算公式如下：

F=F0+fs+fv=

(19)

复进时阻抗力计算公式为：

F=F0+fs+fv=

(20)

2 胶泥缓冲器工作原理

胶泥缓冲器是由胶泥、活塞、活塞缸、缸盖、缸筒和密封装置组成[3]，如图4所示。设置一定预压力，当活塞受到外力小于预压力时，活塞静止不动。当活塞受到的外力大于预压力时，活塞压缩胶泥，因此后座质量整体向后运动，在后坐过程中，速度阻尼减小，弹性力增大；达到缸底开始回复，速度阻尼增大，弹性阻尼减小。整个后坐和复进的过程就是一个消耗能量的过程。

1.缸盖； 2活塞杆； 3.密封圈； 4.活塞； 5.缸体； 6.胶泥填充部分； 7.销； 8.钢球； 9.内六方螺钉

图4 胶泥缓冲器结构图

3 胶泥缓冲器动力学分析

以枪身与参与后坐运动的所有构件作为研究对象，建立枪身构件在缓冲器作用下的运动方程，对射击时后坐构件进行受力分析。如图2所示，以枪膛合力作为后坐力，缓冲器提供的阻抗力减小后坐力，此时后坐推力与阻抗力是一对大小相等，方向相反的力。那么射击后在后坐构件运动的方向上，后坐构件受到的主动力有作用在枪身管轴线上枪膛合力Fpt，受到的运动阻力是缓冲器弹性力FS、阻尼力Fv与胶泥预压力F0[4]。

根据牛顿第二定律，在身管轴线方向上有枪身后坐微分方程：

后坐时：

(21)

复进时;

(22)

其中：m为后坐质量(含枪身质量和缓冲器活塞质量)；x为后坐位移；t为后坐与复进时间。

4 运用ADAMS进行仿真分析及结果

建立好胶泥缓冲器装置和机枪虚拟样机模型，如图5所示。运用Adams软件进行动力学仿真[5]。由于缓冲器结构改进后缓冲性能提高，缓冲器吸收更多的能量，以下是分析机枪的动态响应情况，并与缓冲器结构未改变前的原仿真结果进行对比。

图5 机枪简易三维模型

枪口动态响应即枪口跳动的角度与竖直位移是考量机枪射击稳定性和精准度的指标。由图6可知：子弹击发后，火药气体作用于膛底(膛底合力，即初始后坐力)形成翻转力矩引起枪口上跳，枪口位移逐渐逐渐增大[6]；当子弹运动经过胶泥缓冲装置后，缓冲装置吸收能量提供阻抗力，后坐力从而减小，翻转力矩从而减小，枪口跳动的竖直位移和角度也就减小[7]。

弹丸出膛口时刻为子弹击发之时开始，再经过短暂的内弹道时间[8]。建立Adams胶泥缓冲器模型以及传统的弹簧缓冲器模型，分别对活塞杆施加一组枪膛合力的样条力，在枪口机建立一个Mark点，用来检验竖直方向枪口位移，位移越小，机枪稳定性越高[9]。

图6 结构改进前后高低方向位移曲线对比

4 结论

本文将胶泥缓冲装置应用于机枪系统，以ADADMS软件仿真系统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，通过对比发现使用胶泥缓冲器的机枪枪口最大波动是12.5个毫米，而使用弹簧缓冲器的机枪枪口波动为14个毫米。枪口跳动的最大位移下降了12%，胶泥缓冲器在提高射击精度的作用明显[10]。

[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的影响规律研究[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] 张立平，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.

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

[7] 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.

[8] 高颖，杨臻，王瑞龙,基于MATLAB的某机枪缓冲器数值计算及仿真[J].机械工程及自动化，2011(5)：69-72.

[9] 贾九红，章振华，杜俭业，等.新型阻尼器的设计与试验研究[J].振动与冲击，2008(2):69-73.

[10] 徐忠四，苏铁熊，刘晓栋.基于冲击环境下粘弹性胶泥缓冲器的动力学建模[J].应用力学学报，2013(6):384-388.

StabilitySimulationAnalysisofGunFiringStabilityBasedonADAMS

WANG Hongqin， SU Tiexiong, WANG Donghua, FENG Zhenfei, JI Shuyuan

(North University of China, Taiyuan 030051, China)

Using clay absorb energy to reduce the buffer device of muzzle beating which aiming at the problem that 12.7 mm gun of low firing stability, given by the barrel bore resultantforce function of recoil when overall backward recoil, using the mortar buffering device for bore resultantforce offset buffer out part of the energy to reduce the recoil force,reduce the recoil force,overturning moment decrease and improve the stability; The simulation of the improved machine guns that based on interior ballistics theory, and machine gun recoil dynamics which using ADAMS and Matlab as software platform.The shooting stability was improved because the maximum displacement of muzzle jump has been down 12%.

shooting stability; 12.7 mm machine gun; dynamics simulation; ADAMS

2017-09-13；

2017-09-30

王虹琴(1993—),女,硕士,主要从事枪械设计研究.。

10.11809/scbgxb2017.12.004

本文引用格式： 王虹琴, 苏铁熊，王东华，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，2017(12):17-20.

formatWANG Hongqin，SU Tiexiong,WANG Donghua, et al.Stability Simulation Analysis of Gun Firing Stability Based on ADAMS[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):17-20.

TJ25

A

2096-2304(2017)12-0017-04

(责任编辑周江川)