某自动步枪导气系统动力学仿真分析

张小石，王宪升，喻 翔，朱智勇

(重庆建设工业(集团)有限责任公司，重庆 401320)

0 引言

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[1]，其中连发是自动步枪的一项重要性能。本文根据导气式自动步枪的参数，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，实现了三连发外力载荷的施加，得到了三连发自动机的动力学特性曲线，并对导气孔直径分别为2.3 mm、2.5 mm、2.7 mm三连发枪机框速度、枪机速度、枪机框-击锤接触力、枪机-击锤接触力进行了仿真分析。

1 自动步枪结构及工作原理

1.1 自动步枪结构

某导气式自动步枪主要由枪管、活塞簧、活塞座、活塞杆、机框、上机匣、缓冲顶头、复进簧、复进簧管、枪托、下机匣、握把、扳机、发射机座、击锤、机头、护手等主要零件组成，其结构简图如图1所示。

图1 某导气式自动步枪的结构原理简图

1.2 工作原理

射手扣扳机，击锤回转打击击针，击针打响底火，完成击发动作；火药气体通过导气箍的导气孔进入调节器，推动活塞和机框一起后坐做功，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，同时压倒击锤撞击缓冲顶头压缩复进簧，当复进簧压缩到位后停止后坐；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，机头走完闭锁后自由行程，机框与节套碰撞，枪机复进到位，等待击锤回转打击击针进入下一个循环。

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过程中零部件间的相互受力和相对运动比较复杂，在建立ADAMS模型时抓住主要影响因素，忽略次要影响因素，在不影响模型合理性的基础上，做出以下假设[2]：

(1)自动步枪中的各构件作刚体处理。

(2)不考虑人体的缓冲作用，机匣与地固定。

(3)忽略弹丸发射时枪管膛线对弹丸的阻力，将火药燃气的作用换算成气室力作为外力直接加载到活塞导杆上。

(4)忽略一些不参加机构动作的零件。

(5)内弹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

运用三维建模软件NX.11建立自动步枪的三维实体模型，如图2所示。在NX.11中将三维实体模型以step中性格式文件形式保存，在ADAMS2018中将step格式文件打开并进行动力学仿真，按照自动步枪射击时的运动约束和受力情况，分别对自动步枪ADAMS2018模型添加约束和施加载荷。该自动步枪的动力学模型如图3所示。该仿真模型中共有16个刚体，9个固定副，2个滑移副，2个旋转副，1个圆柱副，10个碰撞接触,3个单点力，4个弹簧阻尼器，1个仿真脚本，3个样条曲线，1个传感器。模型自由度D=6×16-6×9-5×2-6×2-4×1=16。钢与钢的静摩擦因数为0.15，动摩擦因数有润滑时一般为0.05～0.1。本文中机框与机匣的接触副刚度为108N/m，阻尼为104Ns/m，穿透深度为10-4mm，库伦静摩擦因数为0.15，动摩擦因数为0.075，动摩擦和静摩擦的转换速度为1 m/s。

图2 自动步枪三维模型

图3 ADAMS中建立的自动步枪动力学模型

3 载荷参数的确定

载荷参数是自动步枪动力学仿真时主要的考虑因素。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、抽壳阻力和各弹簧的作用力等。

3.1 膛底合力计算

火药燃气压力是步枪自动机产生运动的原动力。根据自动武器动力学的有关知识，可知膛底压力pt和平均压力p的半经验公式为：

(1)

Fgh=Spt.

(2)

其中：φ1为次要功计算系数；ω为装药量；m为弹丸质量；Fgh为膛底合力；S为枪膛横截面积。

通过查阅该步枪的内弹道实验数据，根据内弹道方程，采用龙哥库塔差分算法在MATLAB中编程，可解算出时间和膛底压力pt的关系。

3.2 气室压力的计算

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构参数有关，根据布拉文经验公式，气室压力PS计算公式[3]为:

(3)

其中：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。

根据气室压力变化规律，结合式(3)，通过MATLAB软件编写气室压力程序，可解算出气室压力与时间的关系。

3.3 弹簧力

该导气式自动步枪中用到的弹簧有压缩弹簧和扭转弹簧两种，用到的压簧有拉壳钩簧、卡榫簧、活塞簧、复进簧等，扭簧有击锤簧、不到位保险簧和击发阻铁。主要弹簧参数[4]如表1和表2所示。

表1 压缩弹簧参数

表2 扭转弹簧参数

4 传感器设置及外力施加

要实现以上3个力的施加，考虑到步枪在每一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，因此采用传统(靠时间来施加外力)的方法是行不通的。

本文采用MATLAB通过插值得到膛底压力、气室压力的样条曲线，每次载荷工作的时间都是从0开始，参变量时间在不断地增加。所以，要实现工作载荷在每次复进到位时间参量从0的添加，就要减去这一次枪机复进到位的全部仿真时间，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[5]。传感器的设置方法如下：

在机框上设置一个marker点36、枪管上设置一个marker点43，这两点沿枪管轴线距离最小时传感器被触发，传感器的返回值为此时的时刻。具体形式如下：

sensor_1，value=0.0165，EQ,FUNCTION=DM(MODEL_jikuang_MARKER_36，MODEL_qiangguang_MARKER_43),EVALUTE=time

其中：Sensor_1为传感器名称；value为两个marker点之间的最小距离；EQ,FUNCTION为传感器的功能条件；EVALUTE为传感器的评估条件。

气室压力的添加形式为：

if(time-senval(sensor_1)-1.7e-003:0，0，if(time-senval(sensor_1)-9.6e-003：1.011*AKSPL(time-senval(sensor_1)-9.6e-003，0，spline_2，0)*0.82*0.0055^2),0,0)

其中：AKSPL函数为样条曲线输入函数；spline_2为气室压力曲线；senval(sensor_1)为传感器的返回值[6,7]。

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，选取枪机框连发的速度和位移的平均相对误差作为动力学模型的校验指标，若平均相对误差在10%以内，则认为仿真模型是可信的。枪机框的三连发平均速度仿真数据和试验数据对比如表3所示，三连发平均位移仿真数据和试验数据对比如表4所示[8,9]。

表3 枪机框三连发平均速度仿真数据和试验数据对比

表4 枪机框三连发平均位移仿真数据和试验数据对比

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分析，得到了机框的连发动力学特性曲线，导气孔直径分别为2.3 mm、2.5 mm、2.7 mm时三连发枪机框和枪机速度仿真结果如图4、图5所示。由图4、图5可知：加大导气孔直径能增加气室力使得自动机有足够的运动能量抵抗泥沙、烟雾等恶劣条件的不良影响，能明显提高自动机开始时的最大后坐速度，从而减少自动机循环所使用的时间，加快射频，但是对射击精度有一定的影响；减小导气孔直径使得导气室压力变小，从而使得自动机后坐到位速度减小，进而使得自动机后坐到位对机匣冲击减小，有利于射击精度的提高，自动机循环时间在这种情况下会有所增加，射频降低。

图4 不同导气孔直径下三连发枪机框速度仿真结果 图5 不同导气孔直径下三连发枪机速度仿真结果 图6 不同导气孔直径下三连发枪机框-击锤接触力曲线

不同导气孔直径下三连发枪机框-击锤和枪机-击锤接触力曲线如图6、图7所示。由图6、图7可知：随着导气孔直径的增大，进入气室的火药燃气越多，在枪机后坐做功的过程中气室压力的缩减越明显，枪机框-击锤和枪机-击锤的接触力突变很大，导气孔直径为2.7 mm时枪机框-击锤接触力最大为16 235.4 N，枪机-击锤接触力最大为6 124.4 N；导气孔直径为2.3 mm时枪机框-击锤接触力最大可达12 134.3 N，枪机-击锤接触力最大为4 226.7 N。导气孔过大不利于提高武器射击精度和延长武器的使用寿命，气室压力越大对导气孔、调节器和活塞的间隙冲刷和烧蚀越严重，进一步恶化导气装置在高温高压下的工作环境[10]。

图7 不同导气孔直径下三连发枪机-击锤接触力曲线

7 结论

本文基于ADAMS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，成功解决了自动机复进到位为初始状态的载荷施加。对导气孔直径分别为2.3 mm、2.5 mm、2.7 mm三连发枪机框速度、枪机速度、枪机框-击锤接触力、枪机-击锤接触力进行了仿真分析，得到了机框的连发动力学特性曲线，可为自动机的设计、射频和后续自动步枪动力学仿真提供参考，为枪械导气系统设计提供了定量分析依据，为枪械的研制提供新的改进方法。