第２６卷第１期２０１４年３月
弹道学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢａｌｌｉｓｔｉｃｓ
ｏｌ．２６Ｎｏ．１Ｖ
ａｒ．２０１４Ｍ
某自动步枪发射动力学仿真
２
，宫鹏涵１，周克栋１，康小勇２，李永建２
）（南京２石家庄０军械工程学院火炮工程系，南京理工大学机械工程学院，１００９４；２．５０００３１．
／摘要：为研究某步枪射击时的动态特性，运用Ｐ选取枪机框ｒｏＥ和ＡＤＡＭＳ软件建立了该自动步枪虚拟样机模型，速度和位移为校验指标，将仿真结果与试验结果对比，验证了模型及仿真结果的可信性。在此基础上，研究了枪机框、枪机等部件的动力学特性，分析了活动机件前后运动产生的碰撞对枪身的冲击情况，为该自动步枪结构优化及人枪系统动力学问题的深入研究提供了参考。关键词：步枪；发射动力学；虚拟样机；碰撞；仿真
）中图分类号：Ｔ４９９００９０４Ｊ２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４Ｘ（２０１４０１４－－－
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＬａｕｎｃｈＤｎａｍｉｃｓｏｆａＲｉｆｌｅ ｙ
１２１２２
，ＺＨＯＵ ＫＡＮＧＬＩＹｏｏｎｉａｎＧＯＮＧｈａｎｄｏｎＰｅｎＫｅＸｉａｏｎ －－－ｙ－ ｇ，ｊｇ，ｇｇ
，
（，；１．ｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＮＵＳＴ，Ｎａｎｉｎ２１００９４，ＣｈｉｎａＳ ｇｇｊｇ
，，）２．ＤｅａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｕｎｓＥｎｉｎｅｅｒｉｎＯｒｄｎａｎｃｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎＣｏｌｌｅｅＳｈｉｉａｚｈｕａｎ０５０００３，Ｃｈｉｎａ ｐｇｇｇｇｇｊｇ
：，ＡｂｓｔｒａｃｔＴｏｓｔｕｄｔｈｅｌａｕｎｃｈｄｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｒｉｆｌｅｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｒｏｔｏｔｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｒｉｆｌｅ ｙｙｐｙｐ
／ｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂＰｒｏＥａｎｄＡＤＡＭＳ．Ｔａｋｉｎｄｉｓｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｏｆｂｏｌｔｃａｒｒｉｅｒａｓｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｙｇｐｙ ，，ｉｎｄｉｃｅｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｍａｒｅｄｗｉｔｈｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａａｎｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅｅｓｔａｂ－ ｐｐ
，ｌｉｓｒｏｖｅｄｔｈｅｒｅｂ．Ｏｎｔｈｉｓｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｔｈｅｄｎａｍｉｃｈｅｄｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｄｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｓｉｓｗｅｒｅ ｐｙｙｙｙａｒｔｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｉｍａｃｔｏｎｒｉｆｌｅｃａｕｓｅｄｂｔｈｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎｏｆ ｐｐｙ ｍｏｖｉｎｂａｃｋａｎｄｆｏｒｔｈｗａｓａｎａｌｚｅｄ．Ｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｉｓｈｅｌｆｕｌｆｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ｇｙｐｐ ｒｉｆｒｉｆｌｅａｎｄｔｈｅｄｎａｍｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｈｕｍａｎｌｅｓｓｔｅｍ．－ ｙｙ
；；：；；ｒｏｔｏｔｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｏｒｄｓｒｉｆｌｅｌａｕｎｃｈｄｎａｍｉｃｓｖｉｒｔｕａｌＫｅ ｐｙｐｙｙ 从 自动机工作中构件间的撞击会使自动机主、
动件的速度发生突变，产生巨大冲量，影响零件强度和自动机工作稳定性，从而影响武器连发射击精
１］
。因此，研究活动机件构件间撞击对于自动武度［
构原理简图如图１所示
。
器结构改进具有重要意义。本文以某自动步枪为研究对象，基于动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ建立了该步枪虚拟样机模型，得到了该自动步枪发射时活动机件的动力学特性和冲击载荷情况。
图１ 自动步枪结构原理简图
枪弹发火后，高温高压的火药燃气推动弹丸向前运动，当弹丸越过导气孔后，部分火药燃气经过导气孔进入气室冲击活塞，活塞向后撞击枪机框带动枪机后坐，并带动枪机回转开锁，随后完成抽壳、抛壳等动作，枪机框、枪机后坐至击锤撞击缓冲杠杆后停止；在缓冲杠杆和复进簧的作用下枪机框带动枪
１ 某步枪发射过程分析
某步枪采用导气式自动原理，即利用枪膛内导出的部分火药燃气带动自动机完成自动动作。其结
收稿日期：１２２０２２０１－－
，：作者简介：男，讲师，博士研究生，宫鹏涵（研究方向为步兵武器结构动力学、人机工效。Ｅ－ｍａｉ１－）ｌｏｎｅｎｈａｎ２６．ｃｏｍ。１９８＠１ｇｇｐｇ
第１期等 某自动步枪发射动力学仿真宫鹏涵，９５
机向前复进，枪机向前复进推弹进膛，闭锁枪膛；枪机框向前复进至与机匣接套相撞后停止运动。
２ 虚拟样机模型的建立
２．１ 基本假设
根据该自动步枪的结构特点以及射击过程中活动机件的运动规律，在不影响模型合理性的前提下，
］２－３
：作如下假设［①武器系统中各构件均作刚体处
理；②机匣与地面固定不动；③不考虑子弹发射时作用在枪管上的阻力，将火药气体作用作为外力直接加载于枪机和活塞上；④由于推弹力相对火药气体作用力小很多，所以不考虑推弹力；⑤弹簧内耗忽略不计。２．２ 多刚体模型的建立
／运用三维建模软件ＰｒｏＥ建立该步枪的三维实／体模型，选用ＡＳ与三维造型软件ＰＤＡＭｒｏＥ无缝连／接的Ｍ然后导入机械ＨＰｒｏ菜单自动生成刚体，ＥＣ
系统动力学仿真软件ＡＳ中进行动力学分析。ＤＡＭ按照武器系统射击时各零部件的实际运动和受力情况，分别添加相应的运动约束和力元关系。某自动步枪多刚体动力学仿真模型如图２所示。模型中共有３０个刚体，１８个固定副，３个移动副，６个旋转副，１个圆柱副，５４个刚体碰撞。模型的总自由度：
图４ 机匣与其它零部件的连接关系
２．３ 载荷参数的确定
载荷参数是武器系统动力学模型的重要参数。根据步枪实际发射情况，考虑的载荷主要有枪膛合力、气室压力、抽壳阻力和各种弹簧的作用力等。１ 枪膛合力的计算２．３．
作用于膛底的火药燃气压力是步枪自动机产生运动的原动力。火药燃气作用力的原始数据可根据枪管
］４－６
。利用内弹道公式计设计图纸以及枪弹参数获得［
算得到平均压力ｐ，如图５所示。通过经验公式将平均
］４
其转化公式为［膛压ｐ转化为膛底压力ｐｔ，
Ｄ＝６×３０－６×１８－５×３－５×６－４×１＝２３
枪机框、机匣与武器其他零部件连接关系如图３、图４所示
。
１＋ｐｔ≈（
）
ｐ
６φ１ｍ＋ω
（）１
（）ＦｇＳ２ｐｈ＝ｔ
式中：ｍ为弹丸ω为装药量，１为次要功计算系数，φ质量，ＦｇＳ为枪膛横截面积
。ｈ为枪膛合力，
图２
某自动步枪动力学仿真模型
图５ 内弹道压力－时间曲线
２．３．２ 导气室火药燃气作用力的计算
气室内的火药气体压力的变化规律与膛内火药气体压力和导气装置的结构参数有关，根据布拉文
４］
，导气室火药燃气作用力为经验公式［
）／）／－（ｔ－ｔ－ａ（ｔ－ｔ０ｂ［０ｂ］（）Ｆｓ＝ｐｅＳ１－ｅ３ｄｓ
式中：Ｆｓ为导气室火药燃气作用力，ｐｄ为弹头经过
图３
枪机框与其它零部件的连接关系
９６
弹道学报
第２６卷
表３ 机框速度仿真结果与试验数据对比
－１）／（·ｖｍｓ１
导气孔瞬时的膛内平均压力，ａ为与导气装置结构参数有关的结构系数，ｔ０为枪弹击发后弹头运动到导气孔的时间，Ｓｂ为与膛内压ｓ为导气室活塞面积，力冲量有关的时间系数。２．３．３ 抽壳阻力
抽壳阻力Ｆφ是指拉壳钩从枪膛中把弹壳拉出时所遇到的阻力，可由抽壳阻力的近似计算公式
５］
：获得［
仿真
后坐开始后坐到位复进开始复进到位
５７．１ ７１．５ ３０．３ ２．９８
试验６．８４ １．４８ ０．３２ ３．１３
／％ｅｖ４．５３６．０８３．１２４．７９
２｝（））｛］ｄＦφ＝πｌ２Ｅ１－４δ（Δ－ｆｐｐ０ｋ［１＋１
ｄｐ４ｊ
式中：ｌｆ０为弹壳与弹膛之间的摩擦系数，ｋ为弹壳在弹膛内的总长，ｄＥ１为弹壳材料的１为弹壳内径，弹性模量，δ为弹壳壁厚，Δ为弹壳外表面与弹膛壁间的相对紧缩量，ｄα为弹壳锥ｐｊ为弹壳的平均直径，型部的半锥度角，ｘ为弹壳后退行程。２．３．４ 弹簧力
该自动步枪中的弹簧有活塞簧、复进簧、击锤簧等压缩弹簧，也有缓冲器簧、不到位保险机簧等扭转弹簧。Ａ可ＤＡＭＳ软件的力库提供了这２种弹簧，根据弹簧的设计刚度和预压力施加作用。主要弹簧参数如表１和表２所示，表中，ｋ１为压缩弹簧刚度，
３ 发射动力学特性分析
对本文建立的某自动步枪虚拟样机模型进行动力学仿真计算，得到其发射动力学特性。仿真时间从，枪弹发火的瞬间开始计时，仿真结果见图６～图８图中，ｖｓｖｓ１，１分别为机框速度和位移；２，２分别为枪机速度和位移；ｖｓ３，３分别为击锤速度和位移
。
ｋＦ０为预压力。２为扭转弹簧刚度，
表１ 压缩弹簧参数
弹簧名称活塞簧复进簧击锤簧拉壳钩簧
／（·ｋｋＮｍ１
－１）
图６ 机框速度、
位移曲线
／ＮＦ０５２．７３３５．１９．００３５．
０９１０．５ ０．２３ ０．１７ ４．０
表２ 扭转弹簧参数
弹簧名称缓冲杠杆簧不到位保险簧击发阻铁簧
－１）／（··（）ｋＮｍ°２
／ＮＦ０９４２３ １２０．０８０．０
图７ 枪机速度、
位移曲线
３１．１３ ２．０ ２．０
２．４ 模型的验证
为验证虚拟样机及仿真模型的可信性，本文将所计算的结果与试验结果进行了对比。选取射击时枪机框的速度作为动力学模型的校核指标，仿真结证明该模果与试验结果对比，误差均在１０％以内，型具有较高的可信度。仿真结果与试验结果对比见表３，表中，ｖｅ１为机框在各特征点时刻的速度，ｖ为速度相对误差。
图８ 击锤速度、位移曲线
由图６枪机框运动速度的变化可知，枪机框后坐时的最大速度出现在枪机框刚开始后坐时，ｖ１＝
第１期等 某自动步枪发射动力学仿真宫鹏涵，９７
／。枪机框复进时，在枪机撞击机匣时出现７．１５ｍｓ
／。后坐时枪机框撞击击锤、最大速度，ｖ４．７０ｍｓ１＝复进时枪机撞击机匣接套和复进到位时枪机框撞击机匣都对枪机框存在较大的冲击。
由图７枪机运动速度的变化可知，枪机作为从动件大部分时间和枪机框一起运动，当枪机与机匣／。枪接套启动斜面相接时，枪机速度ｖ４．６７ｍｓ２＝机与枪机框、击锤、机匣都存在碰撞，所以枪机受到的冲击也比较多。
由图８击锤运动速度的变化可知，击锤后坐时／。的最大速度为枪机框碰撞击锤瞬间，ｖ６．７４ｍｓ３＝击锤在前后运动过程中与枪机、缓冲杠杆、不到位保险之间都存在比较明显的冲击。
某自动步枪射击时，就武器本身而言，枪身受力的来源是火药气体作用下活动机件与枪身碰撞所产生的载荷。在虚拟样机中，这些载荷也就是固定架座机匣受到的冲击载荷。机匣受到的冲击载荷Ｆ如图９所示
。
４ 结论
本文基于虚拟样机技术建立了某自动步枪全枪发射动力学模型，确定了枪膛合力、导气室压力、抽壳阻力、弹簧作用力等参数载荷，并验证了模型的可信性。通过仿真计算获得了一系列仿真结果。研究了该自动步枪射击时活动机件的动力学特性，分析了活动机件前后运动产生的碰撞对枪身的冲击情况，为该步枪结构优化、人枪系统动力学的研究及人机工效的评价奠定了基础。
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图中，ａ表示在膛底合力作用下枪机闭锁支撑面与机匣接套闭锁支撑面碰撞产生的载荷，ｂ表示击锤与缓冲器碰撞产生的载荷，ｃ表示缓冲器上端向后运动到位与枪托体产生的载荷，ｄ表示缓冲器下端向前运动到位与机匣碰撞产生的载荷，ｅ表示复进时枪机与机匣接套相撞时产生的载荷，ｆ表示枪机框复进到位与机匣碰撞产生的载荷。
由仿真结果可知，活动机件产生的碰撞对枪身前后方向的冲击较多。其中对枪身向后的冲击主要来自２个方面：①枪弹发火后由火药气体产生的膛底合力；②枪机框后坐到位与缓冲器及枪托碰撞产生的冲击力。对枪身向前的冲击主要来源于枪机、枪机框向前复进到位时与机匣接套碰撞产生的冲击力。