基于有限元技术的模拟后坐力影响因素分析

朱高贵 陆星宇

（南京模拟技术研究所，江苏南京210016）

0 引言

在靶场训练产品中，模拟武器是客户感受和体验的最直观的产品之一，其功效的优良对系统产品的品质有着重要的影响。现有市场上的模拟武器产品在外形、重量及操控等方面的研究已较为成熟，但对于其后坐力的模拟是一直是仿真武器研制过程中的难点与瓶颈。

本文针对后坐力的模拟问题，以某型仿真武器为研究对象，对其工作过程进行数学/力学模型的建立[1-2]，在设计上给予理论支撑；此外，依托有限元动力学分析技术[3]，对影响其后坐力的主要因素进行分析和优化，为后续设计提供控制指标，填补国内设计空白。

1 后坐力理论分析

模拟后坐力给受训人员的真实感觉来自于高压气体瞬间释放引起的机座高速运动撞击击锤形成的能量转化及在复位簧的作用下实现机座的往复运动，如图1所示。

图1 模拟后坐力模型

假设机座、桥架、活塞的质量和为m，最大速度为v，气瓶内气体压力为P0，气缸内气体压力为P，外部大气压为Pex，气缸横截面积为S，摩擦力大小为Ff（此处为多个摩擦力的合力，如活塞与气缸之间、机座与支架之间等），活塞初始位置至泄气位置长度为lA，所需时间为Δt1，活塞泄气位置至行程最大位置为lB，所需时间为Δt2，总行程为l，所需总时间为Δt，弹簧刚度为k（此处为多个弹簧的等效刚度），则其最大动能可以表示为：

即：

当活塞移动至泄气位置后，气缸内压力急剧下降（气缸内气体仍对活塞做功），随后动能克服摩擦力转化为弹簧的势能：

即：

总体来看，气缸气体做功在克服摩擦力和外部大气压后转化为弹簧的势能：

随后弹簧势能释放，在克服摩擦力后，转化为m的动能：

最后，机座在弹簧的势能作用下回归原位。

同样地，进行动量分析，亦可知气缸气压、外部大气压、摩擦力、弹簧力对活塞的冲量等于m的动量。

由此可知，模拟后坐力与气缸横截面积S、活塞行程l、气缸压力P（x）、摩擦力Ff、弹簧刚度k有关。其中除气缸压力P（x）之外，其余参数均为常量，而P（x）则与气瓶压力P0相关。由式（6）可知若提高撞击能量，可通过提高lA、lB的途径；又由式（5）可知，lB的大小与P（x）、S正相关，可采用提高气瓶压力P0、气缸横截面积S的方法。

综上所述，模拟后坐力影响因素如表1所示。

表1 模拟后坐力影响因素

2 仿真分析

2.1 有限元建模

初始模型为SolidWorks文件，对初始文件进行几何处理，将处理好的几何模型导入HyperMesh进行网格划分，导出K文件，通过显式冲击动力学分析程序ANSYS_Lsdyna进行仿真计算。

只考虑机械结构功能部分，包括桥架、气缸、活塞、密封圈。划分空气域网格将气缸覆盖，将进气口部分设置为高压空气边界，结构部分网格划分如图2所示，流体部分网格划分如图3所示。采用流固耦合算法进行计算。

图2 结构部分网格划分

图3 流体部分网格划分

2.2 材料参数

仿真计算中材料参数如表2所示。

表2 材料参数

2.3 仿真结果

基于已建立的有限元模型，采用ANSYS_Lsdyna通用动力学分析软件进行求解，计算分析结果如图4所示。

图4 空气域特征单元压力变化曲线

从图4中可以看到，气缸中空气压力在高压空气作用后压力较为均匀，但大小呈下降趋势，最大压力约为0.5 MPa。取压力对时间的积分，如图5所示。

图5 气缸气压时间积分曲线

考虑t=0 μs至t=3 000 μs的过程，气缸中空气对活塞的冲量大小为：

考虑t=0 μs至t=3 000 μs的过程，外部大气压对活塞的冲量大小为：

活塞的速度曲线如图6所示。

从图6中可以看到，在t=3 000 μs时，活塞速度为7.3 m/s，故可知m的动量为：

由式（8）、式（7）、式（10）可知摩擦力对冲量的贡献为：

由此可知摩擦力在仿真武器工作过程中的影响较小，应着重考虑气缸内空气压力的影响，而气缸内空气压力的变化与气瓶压力、气缸尺寸相关，具体关系需通过多工况仿真和相关理论做进一步分析。

图6 活塞速度变化曲线

3 结语

本文从理论分析、有限元仿真两个角度对仿真武器机械结构的运动过程进行了分析，模拟后坐力来自于机座及关联结构运动时造成的冲击。通过分析仿真武器工作过程，得到了模拟后坐力的影响因素。通过设计多工况仿真可确定影响因素的作用大小，进而对仿真武器结构设计提供理论指导。