基于ADAMS某霰弹枪自动机动力学仿真

2018-03-14姚养无张晓东

兵器装备工程学报 2018年2期

王瑞,姚养无，张晓东

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

霰弹枪发射过程时间非常短,但是它的运动和受力情况极其复杂。采用多刚体动力学方法对自动武器进行建模和仿真[1-2]，可以全面分析研究武器的发射过程的动态特性。本文以某型霰弹枪为研究对象，利用UG和动力学仿真软件ADAMS建立了该霰弹枪的虚拟样机模型[3-5]，对该枪的发射过程进行了动力学特性分析。

1 霰弹枪发射过程分析

某霰弹枪是一种半自动霰弹枪，采用枪管短后坐自动方式、枪机回转式闭锁机构、弹仓式供弹具。枪机回转开锁，开锁后，向后运动的枪管受到限制停止运动，而枪机、枪机框继续后坐，当枪机与枪管分离时进行抛壳；在枪管复进簧作用下枪管先复进到位，枪机单独后坐到位后在惯性簧作用下复进，复进过程中完成枪机刚性回转闭锁。其结构原理简图如图1。

2 虚拟样机模型的建立

2.1 基本假设

为了便于仿真，在不影响模型合理性的前提下作如下假设：

1) 各运动构件(除弹簧外)为刚体；

2) 自动机各运动构件在过枪膛轴线的垂直平面内运动，且受力也在该平面内。

2.2 模型建立

全枪由滑膛枪管、自动机、击发机构、弹仓及枪托等组成。根据各零件的设计参数，利用三维绘图软件UG绘制该枪的实体模型，隐藏不涉及本文研究内容的零部件后，将装配好的模型导出为.x_t格式文件，再将其导入ADAMS中，建立好的虚拟样机模型如图2所示。

3 载荷添加

该枪在发射过程中，主要受到膛底合力、碰撞力、弹簧力和阻力的作用。

3.1 膛底合力

运用经典内弹道计算模型得到平均膛压曲线如图3所示。将膛压曲线利用ADAMS导入生成Spline曲线,用AKISPL函数加载膛压到枪机，根据半经验公式，膛底压强和平均膛压的转化公式为式(1)，膛底合力计算公式为式(2)：

(1)

Fsh=SpT

(2)

式中：pT为膛底压强(MPa)；p为平均膛压(MPa)；ω为装药量(kg)；φ1为弹丸质量虚拟系数；q为弹丸质量(kg)；Fsh为膛底合力(N)；S为枪膛横截面积(m2)。

3.2 碰撞力

运用ADAMS提供的Impact冲击函数给模型施加碰撞力，其力学模型为

式中：k为刚度；δ为穿透深度；C为阻尼；n为力指数。

3.3 弹簧力

在霰弹枪中有压缩弹簧和扭转弹簧，参数如表1、表2所示。其中：k1为压缩弹簧刚度系数；k2为扭转弹簧刚度系数；F0为预载荷。

表1 压缩弹簧参数

表2 扭转弹簧参数

3.4 阻力

自动机运动时受到的阻力主要是抽壳阻力，抽壳阻力根据近似公式确定。

4 约束关系

在添加载荷后，还要对各部件之间添加约束，主要活动部件的约束关系如表3所示。

表3 主要构件之间的运动副约束

5 模型验证

将仿真结果与试验数据进行对比，选择枪机框速度作为模型的验证指标。v是各特征点的速度，e是相对误差。由表4可知，仿真结果各特征点速度与试验数据相对误差均在10%以内，说明该模型较为合理。

表4 仿真结果与实验数据对照

6 仿真结果

霰弹枪的虚拟样机模型建立完成后，进行动力学仿真分析。主要活动构件的运动特性如图4、图5、图6所示。

由图4可知，枪机框在0.015 s时达到最大后座速度7.72 m/s，枪机框复进最大速度为4.48 m/s，该枪在一次射击中，由于自动机构件的各部分之间会发生碰撞，造成枪机框的速度发生多次突变。

由图5可知，枪机和枪机框一起运动，最大后座速度为7.65 m/s,最大复进速度为4.73 m/s。枪机是自动机的主要构件，枪机与枪机框、机匣、枪管之间产生大量的冲击载荷。

由图6可知，枪管和闭锁构件一起后坐运动，在0.015 s时达到最大后座速度，0.029 s时后坐到位开始复进，0.055 s时完成复进到位。后坐与复进过程中枪管与枪机、机匣之间会产生冲击载荷。

武器在发射过程中因各部件之间发生碰撞会产生冲击载荷。由图7可知，a表示开锁时枪管对枪机的冲击载荷；b表示在刚开始后坐时，枪管与枪机发生碰撞产生的冲击载荷为 8 745 N；c表示枪管复进到位时枪管与机匣的冲击载荷；d表示枪机复进到位与枪管的冲击载荷，为9 374N；e表示枪机框复进到位通过枪机对枪管的冲击载荷。