某型榴弹发射器的动力学建模与分析*

2019-07-20赵排航李永建郝润波郝传勋

火力与指挥控制 2019年6期

赵排航，李永建，郝润波，郝传勋

（1.陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003；2.解放军31679部队，河南新乡 453000；3.解放军66028部队，河北承德 067000）

0 引言

某型狙击榴弹发射器是一种面杀伤单兵武器，同时还具有破甲效能，可实现对目标精确打击，可轻松应对各类掩体之后的敌方人员及各类装甲轮式武器等目标。该发射器结构复杂，若采用传统方法计算各主要部件的动力学特性，计算过程存在过多的简化与假设，结论会产生很大的误差，并且该发射器的缓冲机构中橡胶材料缓冲部件的运用给理论计算带来了一定难度。

对于榴弹发射器等武器系统的设计与优化方法，应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真越来越广泛。高学峰［1］应用动力学仿真方法得到了QLZ87式35 mm自动榴弹发射器的主要参数对武器工作性能的影响规律。任冠逢［2］等应用ADAMS动力学仿真对某小口径榴弹发射器进行了设计与分析，得到了枪机、枪机框等部件运动速度及位移曲线。宋杰［3］等应用动力学仿真方法验证了前冲击发原理能有效降低某自动榴弹发射器的最大后坐力。

本文以该型榴弹发射器为研究对象，对建立其动力学分析模型展开研究，对该发射器自动机的运动进行动力学仿真，并对结果进行分析与校核，为该发射器进一步的分析研究奠定基础。

1 发射器的结构特点

该榴弹发射器主要由身管与机匣组件、外机匣组件、自动机组件、发射机组件、弹鼓、两脚架等组成，发射器采用了多重多级缓冲机构，大幅度减小了武器的后坐力，减小了武器射击振动，提高了射击精度。

身管与机匣固定连接，与外机匣形成平移副，增大后坐体的质量，分担后坐能量，有助于后坐力的减小；自动机位于机匣内部且与机匣形成平移副，在复进簧的作用下进行后坐与复进，外机匣还连接有发射机组件、弹鼓、脚架等。

2 动力学模型的建立

2.1 模型的简化与假设

在研究过程中，忽略对自动机运动影响微小的因素，主要对发射器系统作以下简化与假设：

1）对于具有固定连接关系的部件进行合并，对于小且非关键部件进行忽略处理；

2）弹簧零件均采用软件中的弹簧阻尼器来模拟，忽略其质量；

3）发射器高低射角为零；

4）忽略推弹入膛摩擦力的影响。

2.2 模型的建立过程

由于发射器零部件较多，模型复杂，采用三维专业的三维建模软件Pro/E建立武器的三维模型，并运用软件插件Mechanism/Pro模块导入到动力学仿真软件中，提高仿真模型的建模精度。

2.2.1 添加约束副

整个武器系统中共有10个自由度。武器系统拓扑结构如图1所示。

图1 系统拓扑结构

其主要构件间的运动副如表1所示。

表1 主要构件运动副关系

2.2.2 力的施加

在发射器系统中存在的力主要有：弹簧力、接触力、主动力、阻力、脚架支撑力和抵肩力等。其机构组成及受力简图如图2所示。

图2 发射器系统受力简图

图中，Fdj为抵肩力；Ft为枪膛合力；Fhc为枪尾缓冲垫作用力；Ffj为复进簧力；Fpk为抛壳阻力；Ffw为复位簧力；Fck为抽壳阻力；f1为机体与机匣间的摩擦力；f2为机头与机匣间的摩擦力；f3为机匣与外机匣间的摩擦力。

2.2.3 枪膛合力Ft

内弹道时期膛底压强与平均膛压关系式为［6］：

式中，ω为装药量；φ1为阻力系数；q为弹丸质量；p为平均膛压；pt为膛底压强。

后效期的计算公式为［7］：

式中，p为后效期膛内的平均压强；pk为后效期开始时膛内的平均压强；e为自然对数的底；t为从后效期开始算起的时间；A为常系数。

枪膛合力的计算公式为：

由此得到的枪膛合力曲线如图3所示。

图3 枪膛合力曲线

2.2.4 边界条件

对于射手边界条件，将射手的抵肩作用简化成以集总参数表示的线弹性时不变系统，人体的作用可以通过一个施加在发射器尾端即肩托部分的弹簧阻尼器来代替［8-9］；对于土壤边界条件，因为该发射器为抵肩发射武器，射击过程中后坐位移较小，且驻锄嵌入土壤较小，驻锄制退力可忽略不计，故驻锄与土壤之间只存在一定的摩擦力。

2.3 橡胶缓冲垫作用力

该武器是一款可抵肩发射武器，其后坐力较同类武器有大幅度减小主要归功于多级多重缓冲系统。有两处橡胶缓冲垫分别安装在其自动机与机匣的尾部和机匣尾部与外机匣之间，用于分别缓冲两个位置的刚性碰撞。

橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提取并加工制成的高分子材料，是一种不可压缩的粘弹性材料，其应力应变关系具有较强的非线性，其压缩过程中内部分子间的摩擦会消耗一部分压缩动能，具有良好的缓冲减振效果，故其常作为缓冲部件使用。

在动力学仿真模型中，所有零件均作为无变形的刚体来处理，并且没有合适的力学模型来代替橡胶件的变形与作用力的关系，而其在该武器系统中橡胶缓冲垫的作用力又是不可或缺的。为了将该橡胶缓冲垫的作用力准确又合理地加载到该动力学仿真模型中，采用实验的方式确定该材料的本构关系。

由图5可知：随着后熟时间的延长，水解度吴上升趋势，山羊发酵乳的水解度缓慢增加；可能因为随着发酵乳，发酵进行，羊乳中营养物质不足，为保证自身生产需要，乳酸菌菌体内的蛋白酶将多肽讲一步水解，从而表现出水解度缓慢上升。

2.3.1 压缩实验

在ADAMS仿真模型中，模拟零部件间的作用力可直接添加利于位移的关系，该武器橡胶缓冲垫皆可以通过这种方式实现建模。由于橡胶材料的力学性能具有非线性和应变率特性，采用材料试验机和霍普金森杆（HSPB）分别测试该橡胶缓冲垫的静态载荷和动态载荷时的受力情况。

在静载实验中，材料试验机可记录压缩过程中的位移与作用力，试件的外形尺寸已知，根据采集的变形量与作用力（见图4）的关系即可求得应力应变的关系，计算公式为：

式中，F为作用力；σ为应力；S为横截面积；ε为应变；L为原始厚度；△l为变形量。

图4 作用力与压缩位移关系（静载）

在该武器的一个射击行程内，激发后自动机瞬间获得高速后坐，一段时间后后坐行程结束，想换缓冲垫被压缩提供缓冲作用力，后坐到位时速度大约为10 m/s，属于高应变率冲击载荷，因橡胶材料的本构关系与应变率相关，故有必要研究其动态载荷下的力学特性，这里采用HSPB设备根据入射杆和投射杆的应变量，来计算试件的受力与变形量的关系。根据一维应力波理论，HSPB试验中试件的应变率、应变和应力计算公式如下［8］：

式中，C为变形波在入射杆和透射杆中的波速；εI（t）、εR（t）、εT（t）分别为试验中入射波、反射波和透射波的应变值；E为杆的弹性模量；A为杆的截面积。

通过调整不同的压力值来控制子弹杆的撞击速度，由超动态应变仪记录入射波、反射波和投射波的应变值，可求得不动平均应变率下试件的本构关系。平均应变率在这里定义为应变率曲线峰值平台的平均值，通过实验可知橡胶缓冲垫在不同加载速率下的本构关系，见图5。

图5 不同应变率下的本构关系

由图5结果对比可知，应变率对该橡胶缓冲垫的本构关系影响比较大，相同应变下的应力水平随着平均应变率的增大而增大，材料刚度也随着应变率的增大而增大。

实际射击过程中，根据该武器自动机运动速度计算可得橡胶缓冲垫的平均变率约为580 s-1，故采用4组动载实验中平均应变率最大也最接近实际平均应变率的一组数据，橡胶缓冲垫的外形尺寸已知，可得到缓冲作用力与压缩变形量的关系，在动力学仿真模型中定义两个标记点用于添加该橡胶缓冲垫的作用力。将该橡胶缓冲垫的压缩量与缓冲力的对应数据以spline的形式添加到动力学仿真模型之中。

以两个标记点间水平方向坐标值之差为变量，调用spline函数值即为对应变形量的作用力，将该作用力加载到自动机与外机匣的相互作用面上。调用缓冲作用力的函数表达式如下。

AKISPL （DIM （ DX（MARKER_770，MARKER_777，0），0），0，SPLINE_7，0）

由此，建立了武器系统的动力学仿真模型。

3 仿真结果分析与校核

3.1 自动机运动分析

3.1.1 机体的运动分析

该发射器属于单发武器，自动机机体运动速度曲线如图6所示。将枪口朝向定为运动的负方向，图中标识1处为开锁过程，开锁后机体带动机头一起运动造成机体速度下降，标识1拐点之后开始压缩复进簧导致速度逐渐下降；标识2处为自动机后坐到位撞击机匣的尾部，速度急剧下降到标识3的过程为自动机与身管机匣组件撞击后结合在一起后坐，由于后者质量较大，根据动量守恒原理，两者结合后速度下降较为明显，且两者后坐逐渐压缩复位簧导致速度逐渐下降；标识4处为机匣后坐到位，尾部撞击枪尾，自动机在复进簧力的作用下向前复进；自动机机身与机头同时复进完成，机头与身管接触并停止前进，机身而后复进与闭锁片相互作用使闭锁片转动完成闭锁动作，引起标识5处曲线的速度突变，直到自动机机身与机头接触并停止复进，自动机的运动曲线符合实际情况。

图6 机体速度仿真曲线

3.1.2 机匣的运动分析

机体速度VJT与机匣速度VJX的仿真曲线如图7所示。在自动机开锁之前，身管机匣部件与自动机共同后坐，标识1处为机匣后坐到位，尾部缓冲垫与外机匣碰撞，速度急剧下降；标识2处为机匣在缓冲垫弹力和复位簧力的作用下复位；标识3处是自动机后坐到位撞击机匣尾部后带动机匣再次后坐，后坐到位后再次碰撞外机匣；标识4处为机匣再次复位过程，速度突然减小由机匣尾部与自动机的尾部碰撞造成；标识5处为机匣复位到位。整个射击循环过程体现了两次身管后坐过程，对武器的减后坐起到了关键作用。