基于ADAMS的单兵手持式榴弹发射器动力学仿真

任冠逢，赫　雷，黄雪鹰，周克栋

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京　210094; 2.中国人民解放军63856 部队，吉林 白城　137001)



基于ADAMS的单兵手持式榴弹发射器动力学仿真

任冠逢1，赫雷1，黄雪鹰2，周克栋1

(1.南京理工大学 机械工程学院，南京210094; 2.中国人民解放军63856 部队，吉林 白城137001)

摘要：通过分析国内外榴弹发射器的研究现状和发展趋势，借鉴国外某型号小口径榴弹发射器，设计了一种发射25 mm×40 mm小口径榴弹的单兵手持式高性能榴弹发射器。运用SolidWorks软件建立了其虚拟样机模型，采用经典内弹道学理论，通过VB软件编程计算获得了内弹道膛压及气室压力曲线，为后续仿真提供了载荷曲线。以多体系统动力学理论为基础，结合实际工作情况对所建立的三维实体模型进行简化和约束添加，通过动力学仿真分析，获得了枪机、枪机框和枪管在工作过程中的速度及位移曲线，验证了各机构的运动可靠性。

关键词：榴弹发射器； 动力学仿真； 枪机； 枪管

本文引用格式：任冠逢，赫雷，黄雪鹰，等.基于ADAMS的单兵手持式榴弹发射器动力学仿真[J].兵器装备工程学报，2016(6):19-23.

Citationformat:RENGuan-feng,HELei,HUANGXue-ying,etal.DynamicsSimulationofIndividualHandheldHighPerformanceGrenadeLauncher[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):19-23.

榴弹发射器在射击距离上介于迫击炮和手榴弹之间，可以弥补两者射程上的空白区[1]。单兵手持式榴弹发射器作为新型压制性常规武器，质量较轻，威力更大，根据弹种不同又可对多种目标进行攻击。

本文所研究的单兵手持式高性能榴弹发射器口径为25mm。其体积小、火力猛，有较强的面杀伤威力和一定的破甲能力。在未来城区作战、洞穴作战等军事作战及反恐维稳场合中具有重要的意义。

该榴弹发射器采用枪管短后坐加导气式混合自动原理，利用枪机回转实现闭锁。在火药燃气和复进簧的作用下完成整个射击过程。本文以动力学仿真软件ADAMS作为仿真平台，将虚拟样机技术运用到榴弹发射器动力学研究中，建立了其虚拟样机模型，通过仿真计算确定了主要机构运动参数，得出了自动机、枪管等构件的速度、位移、受力曲线，为该榴弹发射器的后续设计提供了理论基础[2-3]。

1　自动机工作原理

自动机的工作，由原动件运动时依次控制各工作机构的动作完成。各主要工作机构动作顺序及其与原动件的关系，可以用自动武器自动动作循环简图表示[4]，如图1。

图1　榴弹发射器自动机动作循环简图

后坐过程为：击针打击底火，火药燃气做功，枪管同枪机框一起后坐[5]。其中枪管后坐距离为15mm，之后在枪管复进簧的作用下返回初始位置。而枪机框一直后坐到与下机匣撞击为止，其后坐距离为214mm。当枪机框、枪管共同后坐了7mm时，由于导气室火药燃气的作用使得枪机框速度更大，这时枪机框和枪机有了相对运动，即在7mm处，枪机开始了自由行程，由于枪机与枪机框同时运动，使得枪机与枪机框的相对速度不大，所以其自由行程距离为12mm。在枪机框运动了19mm后，开始了开锁过程，到30mm时完全开锁。之后枪机框带动枪机继续后坐。到163mm时，弹壳撞击刚性抛壳挺被抛出。到达173mm时，枪机框上的缓冲器首先接触到下机匣，在缓冲器簧的作用下，枪机框继续后坐直到撞击下机匣，完成整个后坐过程。

复进动作：撞击下机匣反跳，在复进簧、击锤簧和缓冲器簧的作用下开始复进。缓冲器簧作用距离为41mm，之后缓冲器簧便不再起作用。当枪机框向前复进了50mm后，枪机的下凸笋开始推弹上膛。而当其复进了114mm后，击锤与阻铁扣合，击锤簧不再起作用，枪机框只在复进簧的作用下复进。当向前运动了198mm后，弹已被完全推进枪膛，之后枪机框继续复进9mm使枪机完成闭锁，再继续复进7mm，走完闭锁后的自由行程。

2　建立榴弹发射器虚拟样机模型

2.1简化模型的建立与物理参数的设定

用SolidWorks软件建立榴弹发射器的三维模型，并作适当简化，然后将其保存为.txt格式导入到ADAMS中，定义每个零件的名称、材料、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[6]。模型导入ADAMS后先对各构件进行命名，并赋予不同的材料或密度，修改弹性模量、泊松比和颜色等特性。图2为全枪简化后的模型。

图2　全枪简化后的模型

2.2添加约束副

在对榴弹发射器进行动力学仿真时，零件间所有的接触约束均为实体接触，所有零件均为刚体。具体约束如表1所示。

2.3添加驱动

对于武器发射过程中产生的弹簧力，可以通过设置弹簧刚度系数、初始长度、预压力等实现。对于各种撞击力，可以在ADAMS中通过设置碰撞刚度、侵入深度、阻尼等系数调整，使之符合设计参数[7]。对于火药燃气的压力，包括枪管膛压和导气室压力，可采用经典内弹道学理论，通过VB软件编程计算获得。之后将其保存为TestData(*.*)文件格式，并导入ADAMS中生成Spline曲线，通过AKISPL函数调用样条曲线，能得到膛压曲线和导气室气体压力曲线。图3及图4分别为膛压和导气室内气体压力随时间变化曲线。

表1　仿真过程约束

表2　内弹道及导气室计算参数

图3　枪管膛压曲线

图4　导气室压力曲线

3　动力学仿真结果与分析

3.1枪机框运动特性分析

枪机框带动枪机完成开锁、闭锁、后坐、复进全过程[8]。图5是枪机框的速度及位移曲线图。

图5　枪机框速度、位移曲线

图5中曲线1表示枪机框的速度，曲线2表示枪机框的位移。枪机框在运动过程中各点的运动特性数据如表3所示。从曲线1可以得知：枪机框在5.14ms之前，即点1之前，速度增长较快，这是由于枪机框在枪管的膛压和导气室压力双重作用下后坐的结果。在点1处，5.14ms时，枪机框速度为7.6m/s，位移为26mm，此刻枪机框速度突变，速度由7.6m/s迅速减小到6.9m/s，这是由于枪机框带动枪机一起后坐，一部分能量转化为枪机速度。同枪机一样，在点2处，即35.2ms时，曲线再一次出现微小的骤减，因为此时枪机框后坐缓冲器开始起作用，此刻枪机框的位移为189mm，其速度由3.9m/s骤减为2.5m/s，之后曲线1的变化速度也明显加快。在点3处，即39.6ms时，枪机框速度为1.2m/s，位移为214mm，此时曲线从负值突然变为正值，这是由于枪机框后坐到位时撞击下机匣反弹所致，从曲线上看出枪机框后坐到位的速度约为1.2m/s，撞击反弹后，速度约为1m/s。之后枪机在枪机框的带动下开始复进，在点4处，即102.6ms时，此刻枪机框的速度为4.1m/s，位移为0，因为此刻曲线骤然与横轴相交，表明枪机框已然复进到位，但由于枪机框与节套存在撞击，致使枪机框出现轻微的反方向运动，点5处表明枪机框已经反跳运动到最大位置，其反跳运动距离为3mm，小于自由行程的距离。之后在复进簧作用下枪机框再一次复进，并与节套接触，不再分离，枪机框在110ms左右已完全复进到位。

曲线2为枪机框的位移曲线，在点6处，约39.6ms时(枪机框速度、位移大小同点3处)，曲线2改变方向，这是因为枪机框已后坐到位，之后在复进簧的作用下，向前复进，从曲线2可以看出，约在102.6ms处，曲线2出现轻微的振荡，这是由于枪机框与节套的撞击所致，在110ms左右，即点7处，曲线2变得平直，表明枪机框已完全复进到位。

表3　枪机框运动特性数据

3.2枪机运动特性分析

枪机是自动武器的核心部件，是保证开闭锁、抽壳、抛壳等动作顺利进行的关键因素[8]。图6所示为是发射一发弹的完整射击过程中枪机的速度、位移曲线。

图6中曲线1及曲线2分别表示枪机的位移曲线和速度曲线。枪机在运动过程中各点的运动特性数据如表4所示。从曲线1上可以看出，在点1处，约为3.5ms时，枪机位移为15mm，此时速度曲线正好与横轴相交，即为曲线2的点6位置，所以速度为0，曲线在此时出现振荡，这是由于枪管已经后坐到位，开始复进回到原位，而此时枪机还未完全开锁，所以枪机随着枪管在短暂的时间段内开始反方向(向后)运动。点2处，约为5.14ms时，枪机位移为10mm，速度为6.1m/s，从曲线可看出，枪机完全开锁并随着枪机框开始向后运动。约在39.6ms时，即在点3处，此时枪机位移为198mm，速度为1.2m/s，曲线1再一次改变方向，这是因为枪机与枪机框已经后坐到位，在复进簧的作用下，向前复进，从曲线1可以看出，在点4处，约97.3ms时，枪机回到起始位置，所以其位移为0mm，此刻的瞬时速度为4.3m/s，之后，曲线1立刻变得平直，速度衰减为0，表明枪机复进到位。

图6　枪机速度、位移曲线

曲线2表示枪机的速度曲线。在点5处，约1.8ms时，出现第一个波谷，此刻枪机的位移为9mm，速度为6.5m/s，之后速度开始逐渐减小，约在3.7ms时，即点6处，曲线与横轴相交，表明枪机速度变为0，位移为15mm，之后速度变为正值，这是因为枪机未完全开锁，枪管复进时带动枪机有短暂的反向运动。从曲线2可知，在点7处，即5.1ms时，枪机再一次反向运动，表明此刻枪机已经完全开锁，并由枪机框带动枪机开始后坐。而在此时，枪机框带动枪机，使得枪机速度在极短的时间内从正值变为负值，所以曲线2在区域8处出现了振动，速度迅速到达峰谷约7.6m/s后，枪机速度又迅速地减小到6.9m/s。在点9处，约35.2ms时，枪机位移为173mm，速度为3.9m/s，曲线再一次出现微小的骤减，其速度减小到2.5m/s，这是因为此时枪机框后坐缓冲器开始起作用，从曲线2上也可以看出枪机速度曲线从35.2ms到39.6ms之间变化速度较快。在39.6ms处，即在点10处(与点3对应的枪机速度和位移数据一样)，枪机曲线从负值突然变为正值，这是由于枪机框后坐到位时撞击机匣反弹所致。之后枪机在枪机框的带动下开始复进，直到97.3ms时，即点11处(同点4)，曲线骤然与横轴重合，表明枪机复进到位。

表4　枪机运动特性数据

3.3枪管运动特性分析

枪管是自动武器的主要构件之一。枪管通过火药燃气和膛线赋予弹头规定的初速和保证飞行稳定性的转速。本文中榴弹发射器采用了枪管短后坐加导气式的自动原理，弹被击发后，枪管会随着自动机向后运动一段距离，随后在枪管复进簧的作用下又回到初始位置。运动过程比较复杂，所以有必要对枪管运动分析。图7为枪管的速度和位移曲线。

图7　枪管速度、位移曲线

图7中曲线1为枪管的位移曲线，曲线2为枪管的速度曲线。两条曲线同样在0～18.7ms之间，即点1之前，两条曲线振荡比较明显，是由于单兵手持式榴弹发射器为导气式加枪管短后坐原理，在弹底压力作用下枪管后坐，后坐最大距离为15mm，后坐最大速度为6.4m/s，后坐到位后在枪管复进簧的作用下开始复进，复进到位后与端盖撞击，故而出现曲线的振荡，从图7可以得知，枪管与端盖的撞击次数为3次，在第三次撞击后便不再弹开。

4　结论

本文建立了某单兵手持式高性能榴弹发射器虚拟样机模型，并进行了动力学仿真分析，得到了枪机框、枪机、枪管的速度与位移曲线。通过观察分析仿真动画和所得仿真曲线，可知该榴弹发射器开闭锁动作可靠，后坐速度适中，复进顺利，枪管短后坐动作到位，各机构运动位移均在设计范围内，证明了所设计的模型是合理可靠的。分析研究结果为单兵手持式榴弹发射器的进一步研究提供了一定的设计经验，也可为今后的相关研究提供较好的参照思路和途径。

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[9]王亚平，王永娟，张宁.双初速自动机结构参数匹配研究[J].兵工自动化，2015(7):86-89.

(责任编辑周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.005

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-02-15

作者简介：任冠逢(1990—)，男，硕士研究生，主要从事新概念兵器技术研究。

中图分类号：TJ202

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)06-0019-05

DynamicsSimulationofIndividualHandheldHighPerformanceGrenadeLauncher

RENGuan-feng1,HELei1,HUANGXue-ying2，ZHOUKe-dong1

(1.SchoolofMechanicalEngineering，NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China; 2.TheNo. 63856thTroopofPLA,Baicheng137001,China)

Abstract:The current development status and trend of grenade launcher both domestic and overseas were analyzed. A high performance grenade launcher firing 25 mm×40 mm small caliber grenade was designed by refering to an oversea small caliber grenade lancher. Its virtual prototype model was established by SolidWorks. With classical interior ballistics theory and by VB software, the bore pressure and the gas chamber pressure were obtained, which provided the load curve for the dynamic simulation. On the basis of dynamics theory of multi-body system and with the combination of the practical working conditions, the logical simplification and the constraints application of the established 3D model of the virtual prototype of the deigned handheld grenade launcher were conducted. Through dynamics simulated and analysis, the velocity and displacement curves of bolt, bolt carrier and the barrel were obtained, and the results verified the reliability of the mechanisms.

Key words:grenade launcher; dynamics simulation; bolt; barrel