某自动步枪连发动力学仿真分析

张小石，王宪升，喻翔

（重庆建设工业（集团）有限责任公司，重庆 401320）

步枪在近距离战场和城市巷战中发挥着不可替代的作用，步枪自动机是步枪的一个重要零部件，研究自动机的动力学特性对提高自动步枪的可靠性有着重要意义，连发又是自动步枪的一项重要性能。查了大量仿真文献，在仿真中机匣都与地添加的是固定副，相当于枪架仿真。目前国内对抵肩连发动力学特性的研究仍处于空白，因此对自动步枪进行连发仿真有着重要意义。本文根据导气式自动步枪的结果参数，运用adams软件建立了步枪的虚拟样机模型，通过传感器和仿真脚本的联合使用，实现了5连发外力载荷的施加，通过仿真得到了5连发自动机的动力学特性曲线。通过对枪架和抵肩两种工况连发自动机的动力学特性曲线的对比分析，能够加深对自动机动力学特性的理解，对自动机的设计和后续自动步枪动力学仿真提供参考。

1 自动步枪工作原理

火药燃气通过导气孔进入导气室推动活塞做功，活塞向后运动撞击机框，活塞和机框一起后坐，活塞走完活塞行程就停止后坐，机框带动机头走完开锁前自由行程，机头完成开锁与机框一起后坐，机框在后坐的过程中完成抽壳、抛壳等动作，当机框后坐到位后，在复进簧的作用下机框开始复进，机框在复进的过程中完成推弹、机头闭锁动作，当机头走完闭锁后自由行程，机框与节套碰撞后，枪机复进到位。

2 虚拟样机模型的建立

2.1 基本假设

由于自动步枪在击发的过程中，零部件间的相互受力和相对运动比较复杂，在建立虚拟模型的时候抓住主要影响因素，忽略次要影响因素，在不影响模型的合理性的基础上，做出以下假设。

（1）自动步枪中的个构件作刚体处理。

（2）不考虑人体的缓冲作用，机匣与地固定。

（3）内道道解算过程中遵循火药燃烧的基本假设。

2.2 多刚体模型的建立

在Adams中建立的动力学模型如图1所示。

图1 Adams中建立的自动步枪虚拟样机模型

3 载荷参数的确定

载荷参数是自动步枪动力学仿真模型中主要的考虑因素。根据自动步枪连发射击过程中的实际受力情况，主要的载荷有膛底合力、气室压力、抽壳阻力、各弹簧的作用力等。

气室内火药燃气压力的变化规律与膛内气体压力和导气装置的结果参数有关，根据布拉文经验公式，导气室作用力公式为。

式中，PS为气室压力，Pd为弹头经过导气孔瞬时的膛内平均压力，b为与膛内压力冲量有关的时间系数，α为与导气装置结构参数有关的系数，t为气室压力工作时间，S为导气室活塞面积，ηs为导气装置的冲量效率，i0为膛内压力的单位全冲量，e为自然对数的底，FS为气室力。根据气室压力变化规律，结合式（1）、（2）、（3）、（4）通过MATLAB软件编写气室压力程序。

4 传感器设置及外力施加

要实现以上3个力的施加，要考虑到步枪在每发的射击过程中伴随着强烈的冲击和震动及各震动间的耦合，导致自动机的每个自动循环过程不相等，从而导致膛底合力、气室压力、抽壳阻力的施加时机存在不确定性，因此用传统靠时间来施加外力的方法，在这里是行不通的。而这个仿真时间是通过Adams中传感器sensor的返回值senval来实现的。

气室压力的添加形式为：

式中if函数为判断函数，AKSPL函数是样条曲线输入函数，spline_1为气室压力曲线；senval（sensor_1）为传感器的返回值。

5 模型验证

为了验证虚拟样机和仿真模型的可信度，本文将仿真结果和试验结果进行对比，选取机框连发的速度的平均相对误差作为动力学模型的校验指标。机框最大后坐仿真速度7.38m/s，试验速度6.94m/s，相对误差6.3%，机框复进到仿真位速度4.18m/s，试验3.85m/s相对误差8.5%，若平均相对误差在10%以内，可以认为仿真模型是可信的。

6 发射动力学仿真分析

本文通过对某自动步枪虚拟样机模型进行动力学仿真，得到了机框的连发动力学特性，仿真时间从枪弹击发的一瞬间开始计算，枪架机框五连发仿真结果见图2，通过连发仿真能够很好地理解自动机的动力学特性。

图2 枪架仿真机框5连发位移、速度曲线

本文抵肩机框五连发仿真结果见图3。在枪架仿真中，枪托与地添加固定副，但五连发枪托仿真总体情况是仿真曲线比较规整。速度位移曲线复进到位时枪机都有短暂的停顿，曲线上反映是保持某一值水平不变的。

图3 抵肩仿真机框5连发位移、速度曲线

在枪架仿真中，枪托后加个缓冲弹簧，弹簧与地添加固定副。查了相关人体缓冲的相关文献，该缓冲簧的刚度为10N/mm，阻尼为0.3N·s/mm。在枪机复进到位后，位移曲线在变化，而不是保持固定值。后坐的过程中，机框速度曲线变化波动比较大，这与加弹簧缓冲有关，抵肩仿真比枪架仿真，更能够体现自动步枪在连发射击中的真实性。

7 结语

本文基于虚拟样机技术建立了某自动步枪的动力学仿真模型。确定了膛底合力、气室压力、抽壳阻力等载荷参数，设置位移传感器来控制外力的施加时机，通过senval（sensor）成功解决了自动机复进到位为初始状态的载荷施加。并验证了模型的可信性，对枪架和抵肩两种工况对比进行了仿真分析。通过仿真计算得到了机框的连发动力学特性曲线，对自动机的设计、降射频和后续自动步枪动力学仿真提供参考。