基于虚拟样机的新型重机枪自动机运动分析

范智滕，王瑞林，李 涛，化斌斌，梁光建

（1.军械工程学院，河北石家庄 050003；2.77627部队，西藏拉萨 850000）

基于虚拟样机的新型重机枪自动机运动分析

范智滕1，王瑞林1，李 涛1，化斌斌1，梁光建2

（1.军械工程学院，河北石家庄 050003；2.77627部队，西藏拉萨 850000）

为研究某新型重机枪自动机的动力学特性，在分析了其结构特点及运动原理的基础上，以该枪为研究对象，考虑射手和土壤边界条件，利用ADAMS软件，建立了该枪的动力学模型。分析了3发连续射击时枪机和内机匣的运动特性，对比分析了枪机与枪机框的运动速度，并对其中的一个射击循环进行了深入研究。分别选取枪机和内机匣速度为校验指标，对比分析仿真结果与实验数据，验证了仿真分析的可信性，为该枪进一步的运动分析、参数匹配及结构优化奠定了基础。

新型重机枪；虚拟样机；自动机；动力学仿真；运动分析

某新型重机枪是一种大口径机枪，其主要战术任务是压制1 500m距离内的敌火力点及轻型火器，毁伤1 500m距离内的敌轻型车辆，封控2 000 m距离内的峡谷道路、隘口，并杀伤敌集群有生目标。该机枪结构复杂，在发射过程中，若采用传统方法计算各主要部件的动力学特性，因计算过程存在过多的简化与假设，结论会产生很大的误差，并且整个机枪系统的运动学和动力学特性很难测量分析，尤其是内部部件的动力学特性更难以获得，这对机枪主要部件的研究造成了一定的困难。

笔者以该新型重机枪为研究对象，通过建立动力学分析模型，对该枪自动机的运动进行了动力学仿真，并对仿真结果进行了分析与校核，为该枪的结构改进提供了一定的理论指导。

1 机枪的结构特点及运动原理

该机枪的结构主要由枪管、复进机、内机匣、外机匣、供弹机等14个部件组成，创造性地采用了枪身浮动、前冲击发等技术手段，有效降低了武器后坐力，减小了武器射击振动，提高了武器射击精度。枪身结构如图1所示。

从图1中可以看出，枪机框在内机匣上运动，内机匣与枪管浮动于外机匣上，即以内机匣和枪管为主的枪身浮动于外机匣和枪架上，称之为枪身浮动原理；该枪击发动作是在内机匣与枪管前进的过程中发生的，故称此击发方式为前冲击发。

机枪采用双程输弹，后坐脱链，复进推弹，输弹冲击小，供弹平稳；采用撞杆式刚性下方抛壳，抛壳可靠性高；复进机与枪机框结合，增加自动机后坐的有效质量，保证武器可靠性，同时有利于武器减重。

2 动力学模型的建立

2.1 模型的基本假设

在研究工作中，忽略对自动机运动影响微小的因素，主要基于以下假设展开：

1）不考虑所有弹簧的惯性，并根据弹簧的类型，用ADAMS中自带的弹簧代替。

2）忽略击针的影响。

3）忽略推弹入膛摩擦力的影响。

2.2 模型的建立过程

为确保模型传递时的完整性，增加模型的仿真精度［1］，本模型通过Mechanism／Pro模块导入到ADAMS软件。

2.2.1 约束副的施加

整个机枪系统中共包含99个运动构件，84个固定副、9个旋转副、8个滑移副和27个实体碰撞，共有59个自由度。主要构件间的运动副关系如表1所示。

2.2.2 力的施加

在该机枪系统中主要存在的力有：弹簧力、接触力、主动力、阻力、支撑子系统对机枪的作用力以及射手对机枪的作用力。其结构受力简图如图2所示。

图中，Fdj为抵肩力；Ffd为浮动簧力；Fbd为拨弹阻力；Ft为枪膛合力；Fck为抽壳阻力；Ffj为复进簧力；Fq为气室压力；f1为枪机框与内机匣间的摩擦力；f2为枪机与内机匣间的摩擦力；f3为内、外机匣间的摩擦力。

1）枪膛合力Ft

内弹道时期公式为［2］

式中：ω为枪弹的装药量；φ1为虚拟系数；q为弹头质量；p为平均膛压；pt为膛底压强。

后效期的计算公式为［3］

式中：p为后效期某瞬间膛内的平均压强；pk为后效期开始时膛内平均压强；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

式中：S为膛底横截面积。

由此得到的枪膛合力曲线如图3所示。

2）气室压力Fq

气室压力Fq的计算公式如下［4］：

式中：Fq为气室对活动机件的作用力；pd为弹头经过导气孔瞬间的膛内平均压强；b为与膛内压力冲量有关的时间参数；α为与导气装置结构尺寸有关的参数；t为气室压力工作时间，t′≤t≤t″，t′为弹头从起动至导气孔的时间，t″为后效期结束时间；S′为活塞的横截面积。

计算得到的气室压力曲线如图4所示。

3）ADAMS中主动力施加的实现

为实现机枪每个自动过程的循环，必须在每次枪弹击发时施加主动力。因此通过函数（Function）来定义虚拟样机中的主动力，当枪机框体与击针接触时开始施加枪膛合力，当枪弹通过导气孔时开始施加气室压力。

2.2.3 边界条件的确定

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，人体的作用完全可以通过一个施加在机枪尾端即枪托部分的集总参数模型来替代；对于土壤边界条件，因为该机枪后坐力较小，采用集总参数模型将驻锄与土壤的相互作用问题简化为具有圆形底面的刚性质量块与无限大、均质、各向同性的线弹性介质之间的相互作用问题。由此，建立了机枪系统的虚拟样机模型［5-6］。

3 仿真结果的分析与校核

3.1 自动机运动速度的仿真分析

3.1.1 枪机的运动分析

机枪连发射击时枪机运动速度曲线如图5所示。将枪口朝向定为运动的负方向，则图中标识1处为闭锁过程，左侧拐点为枪机复进到位，右侧拐点为闭锁过程结束，击针击发底火。从图中可以看出，击发时刻枪机速度小于0，说明击发是在枪机前进的过程中发生的，即前冲击发。标识2处为开锁过程，过程中左侧拐点至右侧拐点枪机速度有下降趋势，是由于在此期间还未开锁，枪机的运动受到内机匣的限制导致其速度减小。标识3处，枪机受到枪机框的后坐撞击，速度突然增加，随后枪机与枪机框一起后坐。标识4处为枪机与枪机框共同后坐到位时与内机匣碰撞接触导致速度突然降低。另外从图中可以看出第1发的复进过程和后3发相比，其速度明显偏小，是因为在射击开始时枪机静止处于待发位置，而后3发复进时枪机都有一定的初速，符合实际情况。

3.1.2 枪机与枪机框的运动对比分析

图6所示为一个射击循环过程中枪机相对于枪机框的运动速度曲线。

图中阶段1为枪机和枪机框复进过程；阶段2为闭锁、击发和开锁过程；阶段3为后坐过程。

由图中可以看到，大部分时间枪机与枪机框的速度是一致的，不一致的只有图中圈出的四处。其中标识1处，枪机因复进到位与内机匣碰撞导致速度减小，但枪机框会继续前进，完成闭锁、击发动作，所以枪机框的速度变化有所延迟。枪机在闭锁过程结束时速度的突然增大是枪机框撞击击针继而与枪机碰撞所致。标识2处，枪弹运动至导气孔位置，枪机框受气室压力的作用速度继续上升，而枪机受内机匣的限制，速度有所下降，导致两者的速度变化有所差异。开锁后枪机框带动枪机一起后坐，后坐过程中如图中局部放大图所示，枪机框和枪机的速度有细小的差别，这是枪机框与枪机中卡铁的间隙所致，此间隙也导致了标识3处两个部件速度的差异。这都是符合实际情况的。

3.1.3 内机匣的运动分析

机枪连发射击时内机匣的运动速度曲线如图7所示。从图中可以看出机枪在发射过程中内机匣大部分时间处于浮动状态。其中标识1处，内机匣速度为0，是由于内机匣复进过程中其挂钩机构使内机匣静止处于外机匣上，这个机构的运用使每发枪弹射击时内机匣与外机匣位置保持相对一致，保证了枪身浮动的稳定性。标识2处，闭锁后一起运动的枪机与内机匣受到了枪机框的撞击使内机匣速度突然增大。标识3处，内机匣受枪膛合力的作用使之具有较大正向加速度，速度正向突然增大，之后又受气室压力反力的作用，使内机匣有了负向的较大加速度，因此，其速度突升突降。标识4处，内机匣的速度由负突变为正，是因为枪机的后坐即将终了时，与刚开始复进的内机匣有微小的碰撞。这也都是符合实际情况的。

3.2 自动机运动速度的校核

图8和图9所示分别是枪机和内机匣运动速度的试验测试曲线。通过与图5和图7的比较，发现曲线的变化趋势基本一致，并且仿真计算结果与武器的试验测试结果误差较小。

为了更加清晰的说明仿真结果的可信性，表2和表3给出了机枪连发射击时几个具有代表性的枪机、内机匣运动瞬时速度仿真结果与试验数据的比较。

从表2和表3可以看出，枪机和内机匣运动速度的仿真结果与实验数据的误差均小于5%，符合虚拟样机建立的要求，仿真结果具有较高的可信性。

4 结束语

笔者利用三维建模软件和仿真分析软件，建立了该新型重机枪的动力学仿真模型，获得了射击过程中主要部件的动力学特性，并深入剖析了其运动特点及形成原因，通过对自动机仿真结果与试验数据的对比，验证了模型的可行性及计算精度，为下一步运动分析及结构改进打下了良好的基础。

（References）

［1］李涛，王瑞林，张军挪，等.某型转管机枪刚柔耦合多体发射动力学仿真［J］.系统仿真学报，2013，25（6）：1382-1387.

LI Tao，WANG Ruilin，ZHANG Junnuo，et al.Simulation of coupled rigid and flexible multi-body dynamics on the Gatling gun［J］.Journal of System Simulation，2013，25（6）：1382-1387.（in Chinese）

［2］金志明.枪炮内弹道学［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

JIN Zhiming.Gun interior ballistics［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2004.（in Chinese）

［3］李涛，王瑞林，吴海锋.基于虚拟样机的某型转管机枪动力学仿真［J］.机械设计.2013，30（4）：89-91.

LI Tao，WANG Ruilin，WU Haifeng.Dynamic simulation analysis of Gatling gun based on virtual protomodel［J］.Journal of Machine Design.2013，30（4）：89-91.（in Chinese）

［4］张军挪.某型重机枪结构动力学仿真与参数优化［D］.石家庄：军械工程学院，2007.

ZHANG Junnuo.Structure dynamics simulation and parameter optimization of a type of heavy machine gun［D］.Shijiazhuang：Ordnance Engineering College，2007.（in Chinese）

［5］李增刚.ADAMS入门详解与实例［M］.北京：国防工业出版社，2006.

LI Zenggang.ADAMS detailed introduction and examples［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2006.（in Chinese）

［6］胡志刚，何卡曼.刚柔耦合模型在机枪发射动力学仿真中的应用［J］.火炮发射与控制学报，2008，（1）：35-38.

HU Zhigang，HE Kaman.Application of rigid-flexible multi-body coupling model in dynamics simulation of machine gun fire system［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2008，（1）：35-38.（in Chinese）

Kinematic Analysis of the New Heavy Machine Gun Automaton Based on Virtual Prototype

FAN Zhiteng1，WANG Ruilin1，LI Tao1，HUA Binbin1，LIANG Guangjian2

（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China；2.77627Unit of PLA，Lasa 850000，Tibet，China）

In order to study the automaton dynamic characteristics of a certain type of heavy machine gun，taking the machine gun as the study object，based on analyzing its structural characteristics and movement principle，the dynamics model of the machine gun was established with the help of considering the boundary conditions of shooter and soil and by use of ADAMS software.The kinematic characteristics of bolt and inner receiver in three rounds bursts of fire were analyzed.The movement velocity of bolt and bolt carrier were analyzed comparatively.And one of the firing cycles was studied in depth.Respectively choosing the velocity of bolt and inner receiver as the checkout target，the simulation results were compared with the test data，the feasibility of the simulation results was verified.The study results can provide the foundation for further movement analyzing，parameter matching and structural optimization of the machine gun.

new heavy machine gun；virtual prototype；automaton；dynamics simulation；kinematic analysis

TJ25

A

1673-6524（2014）02-0020-05

2013-11-18；

2014-01-17

范智滕（1990-），男，硕士研究生，主要从事武器系统动力学理论与应用研究。E-mail：zhitengfan＠163.com