基于虚拟样机的机枪结构参数对射击精度的影响研究

刘卫明,许 云,张前图

(驻356厂军代室，昆明 650114)



【装备理论与装备技术】

基于虚拟样机的机枪结构参数对射击精度的影响研究

刘卫明,许 云,张前图

(驻356厂军代室，昆明 650114)

利用Pro/E和ADAMS建立了某型通用机枪的虚拟样机模型并进行了校验；通过仿真的手段得到机枪各结构参数以及边界条件对机枪射击精度的影响规律，提出提高机枪射击精度的改进措施；通过实物样机对仿真结果进行了验证；为提高机枪射击精度方面的研究提供了新的思路和方法。

虚拟样机；通用机枪；结构参数；射击精度

射击精度作为机枪的重要战技指标，其好坏直接影响着机枪战斗威力的高低。通过对机枪射击时各结构参数变化对射击精度影响规律的研究，对于提高机枪射击精度和减轻全枪重量具有重要意义。随着计算机技术的发展，虚拟样机技术在武器装备设计、研制以及优化中所具有的优势也越来越突出[1-4]。本文将虚拟样机技术引入通用机枪射击精度分析中，通过Pre/E[5-6]和ADAMS[7-8]建立了通用机枪的虚拟样机，以机枪连发时枪口位移动态响应为依据，综合研究了机枪各结构参数对机枪射击精度的影响，并通过实物样机对仿真结果进行验证，研究提供了新的思路。

1 射击精度影响因素与评价指标

枪械的射击精度是指弹头命中目标的精确程度，它包括射击准确度和射击密集度两个方面[9]。在进行机枪设计和结构优化时，总是力求达到最佳的射击准确度和射击密集度。从机枪本身动力学分析的角度来分析影响机枪射击精度的因素时，认为其主要包括外部因素和内部因素[10]。外部因素主要包括射手素质和武器的使用阵地及环境等。而内部因素主要是指机枪的主要结构参数能否达到最佳匹配，取得最佳的射击效果。主要体现在驻锄形状、枪架刚度、枪架阻尼、复进簧刚度、枪管与机匣的结合的紧固度、自动机后坐到位时的撞击刚度、自动机后坐到位时的撞击阻尼、枪机框复进到位时撞击面对称度、自动机主动件与从动件的质量比等9个方面。机枪的射击精度是以上各结构参数综合作用的结果。具体来说，外部影响因素与机枪射击时的具体使用环境有关，对于机枪设计和结构优化关系不大。而武器本身结构参数能否最佳匹配以取得最优的射击效果，正是武器设计人员关心的焦点，也是本文仿真研究的重点。

衡量机枪射击精度最直接的方法是看弹丸的弹头散布图。高度和方向散布都能达到精度要求的射击精度肯定高。但是在虚拟样机进行的仿真实验中，并不能在ADAMS中直接计算得到弹着散布图，因此要衡量机枪的射击精度还必须另辟蹊径。由外弹道学可知，当机枪本身的结构参数确定之后，影响机枪射击精度的因素主要有初始扰动、弹丸加工误差、装药误差以及气象条件等。一般而言，枪口初始扰动与机枪身管的振动和其他部件的合成运动有关，是机枪系统结构本身主运动引起的小扰动。衡量枪口初始扰动的主要指标是弹丸出枪口瞬间的线速度和角速度。其中线速度包括垂直线速度和侧向线速度，角速度包括俯仰角速度和回转角速度。所以以上述4个参量作为目标函数对结构参数进行单因素影响分析。本文以机枪五连发时的射击动力学响应为依据，获得弹丸出枪口瞬间枪口的初始扰动，以枪口初始扰动的均值衡量射击准确度，以方差衡量射击密集度，分析各结构参数对机枪射击精度的影响规律。

2 虚拟样机的建立与校验

机枪零部件三维实体模型的构建是虚拟样机建立的基础，在实践中，依据设计图纸，在Pro/E环境下建立了机枪系统各零部件的三维实体模型，并对各零部件进行组装，形成各级子装配后再最后完成总装配。机枪系统的实体模型在Pro/E中创建好后，需要利用Mechanism/Pro模块把模型文件导入到ADAMS软件中。根据建立的动力学模型，在Mechanism/Pro中，对实体模型中的装配关系进行适当调整，把机枪简化成若干个刚体。需要注意的是，由于机枪下架的3个架杆比较长而且细，属于弹性枪架，如果仅仅把下架当成一个刚体，显然仿真精度是不能达到要求的。为此，本文采用有限分段法把下架的3个架杆各自划分为两段，其上面一段与下架合并形成一个刚体，而将它们下一段与驻锄合并各自作为一个独立的刚体，以这种方式来模拟枪架的弹性。为了后续工作的方便，可以在某些关键点上提前建立Marker，作为提示标记。完成上述工作后，利用Pro/M菜单下的自动生成刚体命令生成刚体并导入ADAMS中建立机枪系统的虚拟样机模型。

对于机枪各零部件之间的约束关系，可结合各零部件之间的运动关系进行设置。考虑在实际射击过程中，驻锄与土壤之间的结合比较结实可靠，驻锄的水平运动被限制，可以认为在水平面上驻锄与地面没有相对运动，这样就可以将驻锄与紧贴其上的土壤在水平方向上的自由度耦合起来，把土壤在水平面内对驻锄的作用简化为两个弹簧阻尼器的作用。射击过程中，驻锄还可能上下跳动，驻锄竖直向下运动时挤压地面，竖直向上运动时如果忽略土壤的摩擦作用可以认为不受土壤约束，这样在竖直方向上土壤对驻锄只起到单方面约束，本文通过自定义一个弹簧阻尼器实现这个约束关系。在机枪发射系统中，人体的作用相当于在机枪的尾端增加了约束或惯性，从而对系统的性能产生一定的影响。因此，人体的作用完全可以通过一个施加在机枪尾端的集总参数模型来替代。在射击过程中，本文忽略人体各部位相对运动的影响，认为抵肩力始终作用在枪托上，在此基础上，将人体对机枪的作用力简化为3个方向上的作用，每个方向上均用一个弹簧阻尼器来代替。

经过以上步骤，机枪系统虚拟样机基本建立完毕。在开始仿真分析之前，还应该对样机模型进行最后的检验，排除建模过程中隐含的错误，保证仿真分析顺利进行。本文在以下3个方面对虚拟样机进行验证，以确保所建立的虚拟样机与理论模型和实际模型的一致性。

1) 建模环境的检查。由于在建模过程中用到了Pro/E和ADAMS两个不同的软件，因此检验样机的第一步是检查这两个软件内部各项参数的设置是不是完全一致，在建模时两套软件要使用同样的长度、质量和时间单位。保证在正确的环境下完成样机的建立过程。

2) 样机质量的检查。样机的质量是在Pro/E中通过赋予实体密度后自动生成的。因此质量的检查主要包括两个方面：一是检查各零件的密度是否与零件图保持一致；二是检查各刚体的质量是否与实测结果保持一致。

3) ADAMS自检工具检验。ADAMS自带的自检工具“Model Verify”，可以检查样机中是否有不恰当的连接和约束、是否存在没有约束的构件以及检查样机的自由度等。“Model Verify”自检的结果显示系统除了存在3个冗余约束外，其他正常。但这并不影响样机的分析。这说明模型在建立过程不存在错误。

3 各结构参数对射击精度的影响规律仿真

利用所建立的虚拟样机模型，改变各结构参数分别对机枪五连发射击过程进行仿真实验，可以得到各结构参数对机枪射击精度的影响规律。图1～图8是以枪架前腿刚度为例，分析结构参数对稳定性的影响。

图1 前腿刚度对横向跳动速度均值的影响

图2 前腿刚度对纵向跳动速度均值的影响

图3 前腿刚度对俯仰角速度均值的影响

图4 前腿刚度对回转角速度均值的影响

图5 前腿刚度对横向跳动速度方差的影响

图6 前腿刚度对纵向跳动速度方差的影响

图7 前腿刚度对俯仰角速度方差的影响

图8 前腿刚度对回转角速度均值的影响

从以上各图的曲线可以看出：前腿的弹性模量宜在2.5×105N/mm2左右，此时无论是枪口跳动的均值还是方差，都较小，也即是此时机枪具有较好的射击精度。因此，应该适当加大机枪前腿的刚度。

通过对其他结构参数进行仿真实验，还可以得到如下结论：

1) 后腿刚度对机枪射击精度的影响比较复杂，其弹性模量宜在2×105～2.5×105N/mm2为宜，但其弹性模量的取值还有待于进一步研究，从总体上看，后腿刚度应略小于前腿刚度是肯定的。

2) 复进簧刚度在0.49～0.51 N/mm时，除了纵向跳动速度均值之外，其余指标均在0.5 N/mm左右，达到最小。为提高射击精度，建议适当降低机枪复进簧刚度。

3) 减少后坐部分的质量偏心，尽量保持后坐部分的质心在枪身对称平面上，有利于降低机枪枪口的横向位移响应的均值和方差，也即有利于提高射击精度。

4) 对于射击密集度而言，适当的自动机后座到位撞击阻尼对于降低射弹散布有着比较重要的意义。

5) 枪口位移响应对自动机后坐到位的撞击刚度影响不敏感。

6) 加强训练，提高机枪射击时架枪和射手持枪的稳固性，有利于提高机枪的射击精度。

4 实物样机验证

为了验证虚拟样机的仿真结果，通过对实物样机进行相应改进，分组进行实弹射击试验。由于枪架阻尼、自动机后坐到位时的撞击刚度和撞击阻尼、枪机框复进到位时撞击面是否对称等因素对射击精度的影响较为复杂且实物样机改进难度较大，因此只对驻锄形状、枪架刚度、复进簧刚度、枪管与机匣结合的紧固程度、自动机主动件和从动件的质量比等因素进行了实物样机验证。这里以枪架刚度和复进簧刚度的验证进行说明。

按照重机枪的前腿刚度的模拟结果对该通用机枪的两个前腿刚度进行了加强，将前腿的材料由45钢调整为50Z钢，尺寸由0.8 mm调整为1 mm，保持后腿刚度不变。将两种刚度的下架配合上同一个枪身，分别实弹射击5组5～8发短点射，对比其射击准确度和70%密集度，结果如表1所示，从中可以看出，前腿刚度的提高确实有利于提高机枪的射击精度。

对通用机枪复进簧刚度进行了分组试验，在不改变其他条件的情况下，分别选用刚度为0.48、0.50、0.52、0.54 N/mm的四种复进簧进行射击准确度和70%密集度对比实验，结果如表2所示，从中可以看出，当机枪复进簧刚度在0.5 N/mm时，机枪的射击准确度和70%密集度都是最好的。

表1 不同刚度的前腿机枪实弹射击准确度和密集度

表2 不同刚度的复进簧机枪实弹射击准确度和70%密集度

除此之外，通过实弹射击试验还发现：滑移式驻锄明显有助于提高机枪的射击精度；枪管与机匣之间的轴向间隙在0.03～0.2 mm射击精度变化不明显，而当间隙达到0.5 mm时，精度明显变大，当间隙继续增大时，精度又呈下降趋势，其实弹射击结果和仿真结果相同，可见合理调整枪管与机匣的配合间隙，有益于提高机枪的射击精度；改变枪机框和枪机之间的质量比，对射击精度的影响比较复杂，有待进一步的研究。

5 结束语

本文通过建立通用机枪的虚拟样机研究机枪结构参数对射击精度的影响规律，以连发射击时机枪枪口广义位移为依据，分析了各结构参数对射击精度的影响，提出了相应的改进意见。根据虚拟样机的仿真结果，对实物样机进行了相应的改进，实物样机的实弹射击结果验证了仿真结果的有效性。

[1] 王瑞林,李涛,张军挪,等.车载转管机枪高低射频对射击精度影响的仿真研究[J].系统仿真学报,2014,26(7):1611-1616.

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[3] 李川,王建伟.基于虚拟样机技术的舰炮发射动力学仿真[J].舰船电子工程,2013(7):76-78.

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[11]赵艳，廖振强.基于ADAMS 的某机枪浮动装置动力学仿真分析[J].兵工自动化，2014(4):84-87.

[12]华洪良， 廖振强， 宋杰，等. 喷管气流反推技术在改善机枪射击精度中的应用[J].兵工学报，2015(12):2241-2246.

(责任编辑 周江川)

Research on Influence of Structure Parameters on Firing Accuracy of Machine Gun Based on Virtual Prototype

LIU Wei-ming, XU Yun, ZHANG Qian-tu

(Military Representative Office of 356 Factory, Kunming 650114, China)

Virtual prototypes of the dual-purpose machine gun were established by means of Pro/E and ADAMS and its effectiveness was verified. The influences of the structure parameters and the boundary condition on firing stability were obtained by simulation. Some suggestions used for improving firing accurracy were given. The simulation results were verified by physical prototype. The research of this paper provides new idea and method for research on improving firing accuracy of machine gun.

virtual prototype; dual-purpose machine gun; structure parameter; firing accuracy

2016-05-18；

2016-06-15

刘卫明(1975—)，男，工程师，主要从事轻武器工程技术研究。

10.11809/scbgxb2016.10.010

刘卫明,许云,张前图.基于虚拟样机的机枪结构参数对射击精度的影响研究[J].兵器装备工程学报，2016(10):47-50.

format:LIU Wei-ming, XU Yun, ZHANG Qian-tu.Research on Influence of Structure Parameters on Firing Accuracy of Machine Gun Based on Virtual Prototype[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):47-50.

TJ24

A

2096-2304(2016)10-0047-05