基于ADAMS的某自动机加速机构动力学仿真

刘坤杰，周克栋，赫　雷

(南京理工大学 机械工程学院，南京　210094)



基于ADAMS的某自动机加速机构动力学仿真

刘坤杰，周克栋，赫雷

(南京理工大学 机械工程学院，南京210094)

摘要：提出了一种自动机加速机构，用于自动武器在研发过程中的非射击系统联调。基于多刚体动力学理论，运用SolidWorks和ADAMS软件联合建立了虚拟样机模型。采用ADAMS软件作为仿真平台，针对该加速机构的工作原理与结构特点建立仿真策略并进行了仿真计算与分析，确定了主要的结构参数和电机转速，并获得了自动机的模拟加速曲线，实现了预期的设计目标，验证了该加速机构的可行性与合理性。

关键词：ADAMS; 动力学仿真; 自动机;加速机构

自动机利用火药燃气能量完成自动循环的方法和形式叫做自动武器自动方式，完成自动动作的方式是多样的，主要分为枪机后坐式、枪管后坐式、导气式与混合式[1]。以往，一种武器在生产定型之前必须要到靶场进行实弹射击试验，检验其各项性能，大量重复的试验导致了低下的效率和较差的经济效益。对未定型的自动武器进行模拟试验，这样就能够大幅度减少实弹试验次数和试验经费[2]。模拟试验的方法很多，其试验效果有好有差，需要对其进行综合评价[3]。

本研究提出了一种新型自动机加速机构，用于在不进行实弹射击的情况下，由电动机代替火药燃气驱动自动机运动，将外动力作用于自动机[ 4]，使自动机在规定时间内达到规定速度，完成开启弹膛、退壳(模拟弹)、输送枪弹(模拟弹)、送弹(模拟弹)进膛、关闭弹膛等一系列循环动作，模拟自动机运动。

该机构采用撞击的方式实现自动机的快速加速，利用动力学仿真软件ADAMS可以较方便地求解刚性体的碰撞问题[5]。采用传统研究方法进行论证研究成本高、难度大[6]。本研究以动力学仿真软件ADAMS作为仿真平台[7]，将虚拟样机技术运用到该加速机构的动力学研究中，建立了虚拟样机模型，通过仿真计算确定了其主要结构参数和电机转速，得出了自动机的模拟加速曲线，为该套系统的后续设计提供了理论基础。

1自动机加速机构工作原理

自动机加速机构工作原理框图如图1，系统的传动机构为曲柄滑块机构，将动力源的旋转运动转换为所需的线性运动，执行机构为撞击模块，撞击模块的原理如图2所示。

撞击模块由滑块、撞块和缓冲簧组成，缓冲簧整体装在滑块内，两端分别与撞块和滑块接触，撞块右端用于撞击拉机柄，撞块与滑块之间相对滑动使缓冲簧压缩，当其压缩量达到L后，滑块与撞块发生碰撞。

图1　加速机构总体方案框图

图2　撞击模块原理框图

工作原理如下：

1) 第一次刚性碰撞：运动的撞块与静止的自动机碰撞，使自动机获得一定的初速度，如图2(a)所示；

2) 缓冲簧被压缩过程：由于滑块速度大于自动机速度，缓冲簧被压缩，自动机在撞块推力作用下继续加速，且加速度逐渐增大；

3) 第二次刚性碰撞：当缓冲簧达到最大压缩量时，滑块与撞块发生碰撞，使自动机继续加速，如图2(b)所示；

4) 缓冲簧恢复原长过程：随着滑块速度的减小与自动机速度的增大，最终滑块速度会小于自动机速度，因此缓冲簧有恢复原长的趋势，由于缓冲簧力大于复进簧力，所以自动机会继续加速，且加速度逐渐减小，直至与撞块分离；

第2)、3)、4)阶段中，撞块与自动机具有相同的速度。

2建立加速机构虚拟样机模型

2.1简化模型的建立

用SolidWorks软件建立加速机构的三维模型，并作如下简化：① 将自动机组件视作一个整体，不考虑彼此间的相互运动；② 省略自动机中不运动的构件。然后将其保存为Parasolid格式导入到ADAMS中，定义每个零件的名称、材料密度、颜色等相关属性。建模过程中，在考虑构件之间运动及受力作用的前提下，遵循从简到繁，由局部到整体的原则进行分析[8]。

2.2添加约束和碰撞接触

将三维模型导入ADAMS后，需要根据实际情况对各零件施加约束，在具有相对运动的两构件之间添加相应运动副和接触，该样机中共含有15个刚体，10个固定副，3个旋转副，3个移动副，定义了4处碰撞，分别是撞块与自动机、撞块与调节杆、自动机与其两侧的挡块，采用Impact函数[9]定义碰撞接触。对于非旋转体的碰撞，刚度系数可采用ADAMS的官方推荐值即默认值进行计算[4]。虚拟样机模型如图3所示。

图3　ADAMS虚拟样机模型

2.3弹簧的定义

在导杆与调节杆之间定义缓冲簧，Stiffness Coefficient根据表1而定，Damping Coefficient设为0，Preload设为0，其他选择默认值。在自动机与其右侧的挡块之间定义复进簧，Stiffness Coefficient设为0.2262N/mm，Damping Coefficient设为0，Preload设为34.3 N，其他选择默认值。

2.4添加驱动

在曲柄回转中心添加旋转驱动，为避免转速突变，驱动函数设置为：step(time,0,0,0.002,6540d)+step(time,0.002,0,0.06,0)，其中，对于不同的缓冲簧刚度和压缩量，6 540d(d表示(°)/s)不是一个定值，需在仿真过程中不断调整ADAMS仿真与结果分析。

3仿真与分析

3.1机构主要参数初选

该机构中，缓冲簧刚度和最大压缩量是影响撞击效果的两个重要参数，本文通过不断改变这两个参数，进行大量的仿真进行对比，从而确定最佳参数。缓冲簧刚度和压缩量初选过程如下：

要求自动机速度在不大于5 ms内达到不小于9 m/s，并且撞块与拉机柄之间的撞击力尽量小，减少拉机柄的磨损。

假设为匀加速过程，则驱动力：

其中：m自为自动机质量；m自=0.400 5 kg。

3.2动力学仿真结果与分析

对其刚度和压缩量进行分配并分别进行仿真，在仿真过程中，由于L和k的变化，为保证自动机最大速度为9m/s，每组仿真的曲柄转速有所不同。导出自动机速度及撞块与自动机之间的撞击力数据(16组)并导入Matlab软件进行分析处理，得到各自的最大撞击力F和相应的加速时间t，结果如表1所示。各撞击力曲线如图4所示。

表1　不同刚度和压缩量时的最大撞击力和

由表1可以看出：① 缓冲簧最大压缩量越大，则自动机加速时间越长，当L≥8 mm时，自动机加速时间逐渐接近直至超过5 ms；② 当L=6 mm，k=140 N/mm时，撞击力取得最小值27 705 N，此时自动机加速时间为4.2 ms。

图4中每条曲线的两个尖峰分别代表两次撞击的撞击力，对比16条曲线可以发现：①L不变时，随着k的增大，第二次撞击力逐渐减小；②k不变时，随着L的增大，第二次撞击力逐渐减小；③ 当L=10 mm，k≥100 N/mm时，第二次撞击消失；④ 虽然L=6 mm，k=140 N/mm时撞击力最小，但第一、二次撞击力的差值较大，这就造成其中一次撞击力过大，而另一次作用甚微，导致自动机加速时间和所受应力增大。

拉机柄的直接驱动力来自于刚性碰撞力和缓冲簧力，因为要求拉机柄被撞击后的速度是一定的，根据能量守恒定律可知，缓冲簧力(由k和L决定)的增大必然导致刚性碰撞力的减小，这就很好地解释了图4中撞击力的变化。同时，由于缓冲簧力远小于刚性碰撞力，缓冲簧力作用时间越长会导致自动机加速时间越大，为保证自动机加速时间小于5 ms，又需要降低k和L。因此，应在L=6 mm，k=140 N/mm的基础上适当减小L和k，重新分配弹簧刚度和压缩量后，其刚度、压缩量以及仿真结果如表2所示。

其中L=7 mm的仿真结果是为了对比分析。各撞击力曲线如图5所示。

由表2和图5可以看出：当L=5 mm，k=100 N/mm时，撞击力最小为26 028 N，自动机加速时间为3.7 ms，且第一、二次撞击力大小相当，满足要求，该加速机构的设计是可行且合理的。

这种情况下，撞击时电机转速为6 540 °/s,即1 090 r/min，自动机加速曲线如图6所示，从其中可以明显地看出其加速的4个过程。

表2　不同刚度和压缩量时的最大撞击力和

图4　第一次分配的撞击力曲线

图5　第二次分配的撞击力曲线

图6　自动机被撞击后的加速曲线

3结论

运用SolidWorks和ADAMS软件联合建立了某自动机加速机构的虚拟样机模型，针对该加速机构的工作原理与结构特点建立仿真策略并进行了大量仿真计算，然后对各组数据进行了分析对比，确定了其最佳的结构参数和电机转速，为该套系统的后续设计提供了理论基础。

参考文献：

[1]王裕安，徐万和，薄玉成.自动武器构造[M].南京：南京理工大学，2005.

[2]董少峰.电动式自动机模拟试验技术[D].太原：中北大学，2007.

[3]彭涛，王学军，梁瑞涛.火炮模拟试验方法及综合评价[J].四川兵工学报,2009，30(10)：100-103.

[4]江君.某自动机工作可靠性模拟试验装置关键技术研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[5]谢最伟,吴新跃.基于ADAMS的碰撞仿真分析[C]//第三届中国CAE工程分析技术年会论文集.大连:[出版社不详],2007：339-342.

[6]王靖亚，周克栋，赫 雷，等.某外能源自动武器虚拟样机技术研究[J].计算机仿真，2013，30(10)：27-31.

[7]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2014.

[8]李仁杰，马吉胜，郑海起.某高炮自动机虚拟样机仿真[J].四川兵工学报,2009，30(6)：69-71.

[9]袁点，王刚.基于ADAMS的枪机碰撞力研究[J].机械工程与自动化，2013，2013(4)：62-64.

(责任编辑唐定国)

本文引用格式：刘坤杰，周克栋，赫雷.基于ADAMS的某自动机加速机构动力学仿真[J].兵器装备工程学报，2016(4):61-65.

Citation format:LIU Kun-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei.Dynamics Simulation of an Accelerating Mechanism of Automat Based on ADAMS [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):61-65.

Dynamics Simulation of an Accelerating Mechanism of Automat Based on ADAMS

LIU Kun-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:An acceleration mechanism of automat was proposed for the joint debugging of system under non-shooting condition during the development process of automatic weapons. A virtual prototype model was established by SolidWorks and ADAMS software based on the theory of multi-rigid-body dynamics. Aiming at the working principle and structural characteristics of the acceleration mechanism, a simulation strategy was proposed and the simulation calculation and analysis were conducted with ADAMS software as the simulation platform. The main structural parameters and the motor speed were determined and the simulation acceleration curve of the automat was obtained. The expected design goal was achieved and the feasibility and rationality of the acceleration mechanism were validated.

Key words:ADAMS; dynamics simulation; automat；accelerating mechanism

文章编号：1006-0707(2016)04-0061-06

中图分类号：TJ202

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.016

作者简介：刘坤杰(1991—)，男，硕士研究生，主要从事机械设计与仿真研究;周克栋(1964—)，男，教授，博士生导师，主要从事武器系统与运用工程研究；赫雷(1973—)，女，副教授，硕士生导师，主要从事火炮、自动武器与弹药工程研究。

收稿日期：2015-10-11；修回日期：2015-11-11

【机械制造与检测技术】