基于ADAMS的自动步枪自动机数值仿真研究

隋超杰，姚养无

（中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051）

0 引言

自动步枪属于机械系统但又不同于普通的机械系统，其内部构造虽然比较简单，但是却有许多复杂零件之间的接触和碰撞。通过普通方法研究自动步枪自动机的动力学是十分麻烦的，且具有危险性。而通过仿真，建立自动步枪自动机的三维实体模型，在ADAMS环境中真实地模拟自动机的运动就可以比较方便地研究其动力学，而且具有省时、省力、省钱等众多优点，也无需考虑测试人员的安全问题。

1 自动步枪虚拟样机模型的建立

1.1 三维实体建模

利用UG和SoildWorks等专业的三维绘图软件建立自动步枪各零件的三维图，然后装配到一起形成自动步枪的三维实体模型，如图1所示。

1.2 虚拟样机模型的基本假设

在建模过程中，不需要将所有动作以及零件都考虑进去，要根据具体的仿真目的和需要合理地忽略或者删减不必要的部分，在达到仿真目的的同时尽可能地简化模型。本模型的基本假设如下：①忽略保险装置的作用；②忽略拉壳钩和抛壳挺的相互作用；③忽略一些小质量非重要零件；④不考虑柔性体对运动的影响。

1.3 自动步枪的虚拟样机仿真模型

将装配好的模型导入ADAMS中，对模型的各零部件进行物理信息的定义，包括构件名称的修改，材料属性的修改，获取质量、转动惯量、质心坐标。

本模型主要考虑自动步枪的后坐，复进和开、闭锁等一个工作循环的仿真分析。整个模型中共有16个刚体，4个弹簧；平移副3个，每个限制5个自由度；固定副10个，每个限制6个自由度；接触副12个，不限制自由度；圆柱副1个，每个限制4个自由度；模型的总自由度为12。ADAMS/View中的样机模型如图2所示。

图1 自动步枪装配后的三维模型

图2 ADAMS/View中的 样机模型

2 载荷的确定

该自动步枪上有众多载荷，但根据研究的需要，我们只考虑导气装置上的作用力。

2.1 内弹道分析

对自动步枪进行动力学分析时，首先需要确定该武器的原动力，只有施加了原动力后，自动步枪自动机才能正常运动。而发射时的火药气体压力就是其原动力，因此我们首先需要求出火药力，这就需要我们对该武器的内弹道进行求解。龙格－库塔法是求解内弹道的基本方法，通过查阅自动步枪的内弹道实验数据，用MATLAB程序拟合出了膛内压力曲线，见图3。

2.2 导气室作用力的确定

导气室压力ps可根据如下布拉文经验公式求得：其中：b为时间系数；α为导气装置结构参数系数；t为工作时间；S为活塞面积；Fs为气室力；i0为膛内压力的单位全冲量；pd为弹头经过导气孔瞬时的膛内平均压力；ηs为导气装置的冲量效率。

图3 自动步枪膛内压力－时间曲线

导气装置中的作用力属于火药气体的作用力，而在ADAMS中无法模拟气体作用力，所以需要导入样条型数据以拟合成函数施加在导气室活塞上。图4为自动步枪导气室压力－时间曲线。

图4 自动步枪导气室压力－时间曲线

3 某自动步枪自动机动力学仿真

某自动步枪自动机仿真模型建立完毕后，就可以仿真出关键部位的速度－时间曲线，然后与试验数据做对比，如果曲线基本重合，说明所建立的仿真模型是比较准确的，并可进行相关的分析研究。图5～图7为仿真结果。

图5 枪机框位移、速度－时间曲线

由图5～图7可知：发射弹丸之后，自动机循环一次的时间大约为0.062 2s，枪机框最大后坐速度为9.467 2m/s，后坐行程为0.226 7m，枪机框后坐到位速度为3.901 5m/s，后坐到位后，自动机在缓冲器簧、击锤簧、复进簧的作用下复进，复进时枪机框最大速度为5.789m/s；枪机在后坐过程中的最大速度为7.162 5m/s，复进到位的速度为5.339 9m/s；击锤和枪机的撞击力最大可达到4 847.2N。

图6 枪机位移、速度－时间曲线

图7 枪机和击锤接触力－时间曲线

4 结论

通过建立某自动步枪自动机的虚拟样机仿真模型，仿真分析得到该自动步枪自动机构件的动力学参数，为枪械的研制分析提供了很好的依据，大大降低了制造试验的时间和费用。

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