基于ADAMS的某型沖鋒槍自動機動力學仿真和分析

張紅勇，王智偉

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051；2.內蒙動力機械研究所，呼和浩特 010011)

0 引言

沖鋒槍是單兵兩手握持或抵肩、發射手槍彈、近距連發射擊的全自動槍械的總稱[1]。具有體積小、質量輕、攜彈量大、火力強等優點，適用于近距離作戰和沖鋒，在200米內可造成有效殺傷，因此大量裝備于軍隊中[2-3]。大多數沖鋒槍采用自由槍機式的自動方式[4]，自動機作為沖鋒槍的核心部件，其工作環境較為復雜，往往承受高溫高壓作用和各機構之間劇烈的碰撞，因此其可靠性對沖鋒槍的性能有直接影響[5]。以往使用實彈射擊的試驗方法探究自動機的可靠性，不僅試驗成本高、彈藥消耗大、研發周期長，而且實彈射擊具有較大的危險性，在這樣的背景下，虛擬樣機技術應運而生[6-7]。虛擬樣機技術是使用軟件建立機械系統的三維實體模型和力學模型，對系統的性能進行分析和評估[8]。利用虛擬樣機技術，可在武器設計、研究工作中反復修改設計方案和運動學模型，縮短研制周期和研制成本，完成物理樣機難以實現的試驗，把握機械系統各部件的特性[9]。文獻[10]通過在沖鋒槍機匣內壁刻螺旋凹槽來降低射頻，并在ADAMS軟件中建立虛擬樣機，通過仿真驗證了這一方法的可行性。文獻[11]設計了一種回轉體半自由槍機式結構以提高質量轉換效率，基于虛擬樣機技術，利用ADAMS軟件對機構進行了動力學仿真，驗證了設計的合理性。文獻[12]設計了一種能量可控的半自由槍機結構，使用ADAMS軟件仿真驗證了這一結構可實現對槍機后能量大小的控制。文獻[13]通過增加緩沖裝置改善沖鋒槍的射擊精度，建立虛擬樣機進行仿真，驗證了方案的有效性。綜上所述，通過構建虛擬樣機對武器系統這類多體碰撞的問題即研究自動機各部件間的運動規律具有較高的適用性，對于武器研發周期的縮減和成本具有積極作用。本文以某型沖鋒槍為研究對象，以該自動武器的自動機為例利用ADAMS建立虛擬樣機模型，對導氣式武器進行動力學仿真分析，探究其核心部件運動特性及自動機各部件之間的沖擊載荷，通過對自動機中各部件之間的沖擊載荷來分析自動機部件碰撞對射擊精度的影響，并通過改變導氣孔大小對自動機循環動作的影響規律進行分析，用于指導實際的設計過程，同時原型模型也可以為其改進提供依據，其分析研究為槍械中擊發機構的結構優化和工程設計提供了堅實的理論基礎。

1 自動機結構與工作原理

1.1 自動機結構

自動機是自動武器的主要部件，其主要功能是自動完成自動武器從發射到拋殼再到進彈，以及發射后一發彈的一系列過程[14]。自動機的種類有很多種，本文研究的是導氣式自動機，其導氣方式為活塞長行程。自動機主要由身管及導氣裝置、復進裝置、閉鎖機構和發射機構等結構組成。

1.1.1 身管及導氣裝置

身管由彈膛、線膛和坡膛組成，線膛由4條右旋矩形等齊膛線組成，導程長度為240 mm。導氣裝置為活塞長行程沖擊式，其組成部分如圖1所示。球形凹面在活塞前端，兩條環形溝位于活塞的兩側，其主要作用是減少火藥燃氣的泄露。導氣孔位置靠近槍口，距身管尾端305.6 mm，導氣孔直徑為4.2 mm。

圖1 導氣裝置

1.1.2 復進裝置

復進裝置主要作用是：自動機部件后坐時將能量積攢起來為其復進提供一定的動力，其結構如圖2所示。導管和導桿具有導向作用，以防止復進簧扭曲或卡死，擋圈為復進簧提供一定的預壓。

圖2 復進裝置

1.1.3 閉鎖機構

該槍的閉鎖方式為槍機回轉式。閉鎖機構組成部分如圖3所示。其中閉鎖凸筍位于槍機前方兩側，它以旋轉運動的形式進入機匣的閉鎖槽，后方為閉鎖支撐面，在前方上部的定型凸筍配合于機框的定型槽，在圓弧面、開鎖螺旋面、閉鎖螺旋面、復進平面與限制面的作用下，可以很好完成開鎖、后坐、復進及閉鎖等一系列動作。

圖3 閉鎖機構

1.1.4 發射機構

該槍為單連發發射機構，其狀態有：單發、連發、三連發，由發射轉換器進行控制，它的主要零部件如圖4所示。

圖4 發射機構

1.2 自動動作及自動動作循環圖表

1.2.1 導氣式自動方式和自動動作

導氣式是膛內部分高壓火藥燃氣通過身管上的導氣孔進入氣室，推動槍機后坐的自動方式[15]。根據導氣裝置的不同結構，可分為活塞式和導氣管式兩類。該型沖鋒槍為活塞長行程，即把火藥燃氣的作用力通過活塞傳遞給槍機框，活塞與槍機框聯接成一體運動[16]。并通過增大機框質量提高其抗干擾能力。

該槍的自動動作為：扣動扳機，擊錘撞擊擊針后，槍彈底火在擊針的撞擊下燃燒，火藥氣體迅速膨脹，彈頭在其作用下向前運動。當彈頭經過導氣孔時，火藥燃氣從導氣孔進入氣室，活塞與槍機框在氣室火藥燃氣的作用下一起后坐，槍機框在螺旋槽的作用下沿著槍機定型凸筍滑動，然后開鎖前自由行程完成，槍機定型凸筍在槍機框螺旋面的撞擊下，完成開鎖，槍機在槍機框的帶動下一起后坐運動，槍機框后坐直至碰到槍尾完成后坐運動。后坐到位會壓縮復進簧，復進簧力的作用下開始推動槍機和槍機框開鎖復進，在機框推動下，槍機定型凸筍進入螺旋槽，然后槍機右旋閉鎖，在槍機凸筍限制面的作用下槍機框走完閉鎖自由行程，槍機框撞擊機匣前端停止并完成復進動作。

1.2.2 自動循環圖

自動循環圖是描述自動機部件的運動順序以及部件之間的協調運動的圖表或曲線圖。它顯示自動機的運動特征，描述自動機工作循環中的主要部件和基礎部件之間的運動規律。

在自動機的工作周期中，每個部件都有一定的運動規律，并且在循環過程中主導部件帶動其余部件完成自動循環過程，這個起主導作用的部件稱為基礎構件，其他由基礎構件帶動的構件稱為工作構件。本文研究的沖鋒槍以活塞桿和槍機框作為基礎構件，帶動其他工作構件一起完成自動循環。圖5為該槍自動機的工作循環圖，圖中數據單位為mm。循環圖以身管軸線后坐方向為正方向，原點為閉鎖狀態靜平衡位置。

圖5 該沖鋒槍自動機工作循環圖

2 虛擬樣機模型的建立

2.1 模型簡化及導入

三維模型是由UG導入ADAMS中的。首先將UG繪制的三維模型轉化為xt格式的文件，其次將生成的文件導入到ADAMS，最后對模型進行一定的簡化處理。這樣不僅可以減小計算量，提高仿真效率，而且也能盡可能地減少誤差，但是導入的模型也應該既簡單又清晰，能夠很好地反映實際的變化過程[17]。導入模型如圖6所示。對于外加載荷，將氣室壓力直接作用于活塞桿上，抽殼阻力以外力形式給出。

圖6 自動機模型

2.2 材料施加

對導入的模型零部件進行重新命名，便于零部件約束及載荷的添加，該型沖鋒槍的絕大多數零件采用合金鋼材料，機匣采用鍛制不銹鋼材料。表1為各部件的材料屬性。在ADAMS中將表中各部件的材料屬性賦予。

表1 剛體名稱及材料

2.3 約束副施加

本文所建立的模型從擊發、后坐、退殼、復進、進彈等在內的整個射擊過程進行了仿真，模型共包含16個零件、7個固定副、2個移動副、4個轉動副、1個圓柱副，其總自由度為24。在ADAMS中用約束副對各部件連接，表2為各部件的連接關系[18]。

表2 各剛體間約束連接

在實際中，自動武器各部件之間的碰撞廣泛存在，因此在虛擬樣機模型的建立中對應的設置部件間的接觸副，其工作的全過程實質上是火藥燃氣作用下的自動機運動，彈簧作用下的零部件運動，機構傳動和碰撞四類運動形態的不同組合，而機構的傳動也是靠碰撞來實現的。因此對ADAMS中碰撞問題的解決機理的研究是尤為重要，其碰撞是武器系統動力學仿真過程中的關鍵問題之一。表3為各部件之間的接觸副。

表3 各部件的接觸副

2.4 彈簧及扭簧的確定

該自動機虛擬樣機涉及到的彈簧有復進簧和阻鐵簧，涉及到的扭簧為擊錘和機匣、防早發保險和機匣之間的扭簧。

1)復進簧參數：復進簧裝配高度為296 mm；復進簧預壓力為25 N；復進簧工作壓力為65 N；復進簧剛度為290 N/m。

2)阻鐵簧參數：阻鐵簧預壓力為10 N；阻鐵簧剛度為200 N/m。

3)擊錘扭簧參數：擊錘扭簧剛度為10 N/(mm/deg)；擊錘扭簧預壓力為-30 N。

2.5 驅動載荷的添加

在槍械自動機的動力學研究中，一般要對火藥燃氣壓力、彈殼的抽殼阻力和推彈阻力等因素進行考慮。而這些力只能以外力的形式施加，為了簡化模型，在此處主要考慮火藥燃氣作用力。

2.5.1 內彈道計算

內彈道是對彈丸在膛內運動規律和伴隨射擊現象進行研究[19-20]。自動機運動的原動力是火藥燃氣壓力，也是自動武器工作的動力源，因此首先要進行內彈道方程的建立，利用Matlab繪制出p-l、v-l、p-t及l-t的彈道曲線，進而確定模擬樣機所受載荷，導入仿真軟件進行動力學分析。

因此構建內彈道方程組為：

1)形狀函數：

ψ=χΖ(1+λΖ+μΖ2)

(1)

2)燃速方程：

(2)

3)彈丸運動方程：用平均壓力和次要功系數φ表示的運動方程

(3)

4)彈丸速度與行程關系：

(4)

5)內彈道基本方程：

(5)

式中，ψ為火藥已燃百分數，χ、μ、λ為火藥形狀特征量，Ζ為火藥已燃相對厚度，u1為燃速系數，e1為火藥弧厚，p為平均壓力，n為燃速指數，φ為次要功計算系數，m為彈丸質量，υ為彈丸速度，t為彈丸運動時間，S為槍膛橫斷面積，l為彈丸行程長，lψ為藥室自由容積縮徑長，f為火藥力，ω為裝藥質量，θ為火藥熱力參數，Δ為火藥裝填密度，ρp為火藥密度。

在給定的初始條件下，基于四階龍格-庫塔法對內彈道方程組進行求解，計算步驟如下：

1)輸入已知數據：

①火炮構造及彈丸諸元：S、V0、lg、m；

②裝藥條件：f、α、ω、ρp、θ、u1、n、e1、χ、λ、μ、ρ；

③初始條件：p0；

④計算次要功計算系數的參數：K、b；

⑤計算步長：h。

2)常量計算：

起始計算需要確定的常量有：

(6)

3)初值計算：

(7)

通過查閱資料，得到該型沖鋒槍彈藥參數如表4所示[21]。

表4 沖鋒槍彈藥參數

通過Matlab計算并繪制出如圖7所示的p-t、v-t、p-l及l-t的彈道曲線。

圖7 p-t、v-t、p-l及l-t彈道曲線

該槍的身管長度為413 mm，導氣孔到身管尾端的距離為0.74倍身管長，約306 mm，導氣孔直徑為4.2 mm[22]。由上圖曲線可得，彈丸經過導氣孔時間為td=0.798 0 ms，此時膛壓為53.271 0 MPa，彈丸飛出膛口時間為0.952 5 ms，彈丸飛出膛口速度為712.95 m/s。

2.5.2 氣室壓力分析

氣室內火藥氣體壓力與膛內火藥氣體壓力的變化規律具有較大的聯系，并且與其裝置自身的結構參數有關。根據布拉文經驗公式計算氣室壓力的變化，導氣室壓力[23]為：

Ps=Pde-t/b[1-e-α (t/b)]

(8)

其中：Ps為氣室壓力，Pd為彈頭經過導氣孔瞬時的膛內平均壓力，b為與膛內壓力沖量有關的時間系數，α為與導氣裝置結構有關的參數，t為彈頭經過導氣孔瞬間開始時計算氣室壓力工作時間，e為自然對數的底。

時間系數b公式如下：

(9)

結構系數α公式如下：

(10)

其中：ηs為氣室沖量效率。

由馬蒙托夫研究理論可知，導氣裝置的結構參數是導氣裝置的氣室壓力主要影響因素，其參數如下：

4)氣室初始容積V0s為1.78 cm3；

5)活塞及其連接的自動機部件的質量ms為0.485 kg。

為方便計算，其計算方法采用4個相對參數，分別為：活塞相對面積σs、間隙相對面積σΔ、活塞相對質量σm和氣室換算長度σ0：

(11)

ηs與這4個參數的函數關系為：

(12)

則氣室沖量效率為：

ηs=ηs0γ0γmγm，0

(13)

通過插值計算得：

(14)

活塞所受導氣室作用力為：

FPs=ps×ss(15)

通過Matlab擬合并繪制曲線ps-t和Fs-t。

圖8為Matlab繪制擬合出來的氣室壓力曲線。在ADAMS軟件中，不能直接將氣室壓力曲線導入進去，通過Akima擬合方式導入數據，此方法不需要進行繁瑣的計算，根據對圖8中的氣室壓力曲線圖中的點進行拾取，擬合的單位是按照國際單位制中的基本單位規定，因此設置橫坐標X的單位為時間(s)，縱坐標Y的單位為牛頓(N)，然后加載擬合完成的載荷。圖9為載荷擬合示意圖。

圖8 氣室壓力曲線

圖9 氣室壓力載荷擬合示意圖

2.6 虛擬樣機的建立

在將上述的材料賦予、部件命名、運動副添加、接觸副以及彈簧、扭簧和外力的添加之后，得到該型沖鋒槍的虛擬樣機。

3 虛擬樣機仿真分析及可信度驗證

在仿真軟件ADAMS中建立了該型沖鋒槍自動機的虛擬樣機，并且在虛擬樣機中添加氣室壓力載荷以及彈簧、扭簧等參數，對樣機的運動進行仿真，從而了解機構的動力學特性。并且通過仿真，獲得自動機中關鍵部件的運動規律。

3.1 運動特性仿真驗證

此次仿真主要對自動機單發進行分析，從擊發開始計時，對槍機框和槍機進行分析。

自動機在擊發之后，火藥燃氣快速膨脹，彈丸通過導氣孔時，活塞桿開始受到火藥燃氣壓力向后運動，并帶動槍機框快速后坐，并且壓縮復進簧，速度降低，直到槍機框碰到導桿座，速度降到零，在復進簧的作用力下，槍機框復進，直至到位，仿真結果如圖10所示，圖10(a)為其速度位移曲線，圖10(b)為槍機框和槍機速度曲線。

圖10 仿真結果圖

由圖10(a)得到表5結果。

表5 槍機速度數值仿真結果與試驗結果對照

由圖10(a)可以看出，導氣壓力作用后，槍機開始后坐時，速度持續上升，直至與擊錘碰撞并壓倒擊錘，損失部分能量。途中壓縮復進簧的儲存能量，直至后坐到位時槍機框與導桿座碰撞吸收了多余的能量，從而完成后坐。復進時，在壓縮的復進簧的作用下，槍機框和槍機開始復進，復進到位時其中多余的能量由槍機框與節套的碰撞吸收，從而完成復進過程。同時可以得到：在0.016 1 s時槍機框的位移達到最大，為132.6 mm，從后坐到復進的全過程用時0.061 8 s，再由上文內彈道計算得到，彈丸從擊發到飛過導氣孔用時0.798 ms，因此完成單發射擊總用時0.062 5 s。

由圖10(b)可知，槍機與槍機框在起始處的后坐時的開鎖過程和復進時的閉鎖過程時的速度發生變化，此時，槍機做回轉運動，而槍機框在做平動運動，其余運動過程速度基本重合。

3.2 緩沖裝置運動特性分析

當槍機框后坐到位時，與導桿座發生碰撞，此時剩余的能量被緩沖裝置吸收，從而使槍機框的后坐速度下降，通過緩解部件之間的碰撞提高槍械的射擊穩定性和可靠性。

因此，采用一根長度為296 mm的復進簧，其剛度為290 N/m，緩沖簧的受力變化曲線如圖11所示。其中由曲線可以得出，復進簧在0.016 1 s時所受最大的力為62.07 N，而此時槍機和槍機框正好后坐到位。

圖11 緩沖簧受力曲線

綜上所述，由單發射擊仿真結果來看，自動機的各部分運動規律基本符合實際要求，與實際設計的各項參數在允許誤差范圍內，因此該虛擬樣機的建立及仿真基本可以驗證自動機的性能。

4 不同導氣孔直徑對自動機循環動作的影響

由第3節的仿真結果可知，該虛擬樣機的模型構建合理。但當自動機中的一些參數發生變化時，自動機的動作也會有相應的變化，因此本節主要研究導氣孔直徑的變化對自動機動作產生的影響。

4.1 不同導氣孔直徑下氣室壓力和活塞受力

在2.5節中對標準導氣孔直徑時的導氣壓力進行了計算，并且擬合出壓力-時間曲線和活塞作用力-時間曲線。在此將導氣孔的直徑改變成3.5 mm和4.9 mm，并擬合壓力曲線。

由布拉文經驗公式可得，在改變導氣孔直徑時，只會改變氣室結構系數α，由馬蒙托夫研究理論和插值法進行計算，結果如表6所示。

表6 不同直徑導氣孔下氣室沖量效率和結構系數

利用Matlab進行擬合得到如下結果：

圖12為3種導氣孔對應氣室壓力曲線，圖13為活塞桿受力曲線。

圖12 3種導氣孔氣室壓力-時間曲線

圖13 3種導氣孔活塞作用力時間曲線

由圖13可得，隨著導氣孔的增大，氣室壓力隨之增大，活塞桿所受的作用力也隨之增大。

4.2 改變導氣孔大小的仿真結果及分析

將上節擬合的曲線分別通過Akima擬合方式，并進行擬合完成載荷的加載。仿真分析結果如下：圖14和圖15分別為不同導氣孔大小下槍機框速度隨時間變化的曲線對比和不同導氣孔大小下槍機框位移隨時間變化的曲線對比。

圖14 不同導氣孔大小下槍機框速度曲線

圖15 不同導氣孔大小下槍機框位移曲線

由圖15得到的數據如表7所示。

表7 不同直徑的導氣孔下后坐和復進數值仿真對比

由圖14、圖15以及表7中的數據可以看出，隨著導氣孔的直徑增大槍機框的后座速度會隨之增大，與原始直徑相比，3.5 mm直徑的后坐速度為13.632 m/s，降低了1.07%，4.9 mm直徑下后坐速度為14.140 4 m/s，速度提高了2.62%，這是由于導氣孔增大導致燃氣壓力對活塞作用力增大。圖中后坐到位碰撞時損失的能量隨著導氣孔直徑增大而變大，但其儲存在復進簧的能量也變大，且復進時的初速隨之增大的，其變化范圍在-29.87%～13.23%之間，復進到位速度增大，其變化范圍在-0.47%～3.60%，當然復進的時間也隨著導氣孔直徑的增大而降低，使得擊發過程中自動循環時間相對縮減，射頻增大。

因此由以上規律可知，在槍械的設計改進中，通過導氣孔的改變對槍械的性能產生較大的影響，導氣孔直徑的增大，能較大地提高槍械的射頻，增大槍械的火力強度，但其較大的碰撞能量導致槍械中的關鍵部件即槍機和槍機框的磨損增大，對槍械的可靠性和使用壽命產生負面的影響。通過虛擬樣機模型的構建，可以計算導氣孔直徑的最優值來提高槍械的綜合性能，或者針對性地提高單方面的作戰性能，為槍械的改進提供參考依據。

5 結束語

本文以某沖鋒槍為例首先介紹了該槍自動機的結構及工作原理，并且構建該槍自動機的虛擬樣機模型，通過仿真對導氣式的射擊過程進行仿真分析，得到從擊發、后坐、退殼、復進、進彈等在內的整個射擊過程中槍機、槍機框的速度位移曲線以及緩沖裝置的受力情況，通過對比試驗數據驗證模型的可靠性。最后從導氣孔直徑角度分析了不同大小的導氣孔對后坐和復進狀態的影響規律，對該類槍械的設計和優化具有一定的參考價值。