频率匹配准则的某型机枪自动机结构参数优化

张军挪，王瑞林，化斌斌，康小勇

（军械工程学院，石家庄　050003）



频率匹配准则的某型机枪自动机结构参数优化

张军挪，王瑞林，化斌斌，康小勇

（军械工程学院，石家庄050003）

摘要：首先分析了影响某型重机枪射击精度的影响因素，并以武器频率匹配准则为依据，以建立的机枪动力学虚拟样机模型为平台，通过灵敏度分析，找出导气孔横截面积、活塞的有效横截面积、枪机框质量、枪机质量和枪机框缓冲簧刚度等参数是影响武器射击频率的主要因素；利用序列二次规划优化方法对自动机结构参数进行优化，优化仿真结果表明，武器的射向一致性得到明显提高，这对于武器结构方案优化设计，提高武器射击精度是至关重要的。

关键词：射击频率，机枪，自动机，结构优化

0　引言

随着对机枪战场机动性能要求的不断提高，机枪的重量大幅度降低，机枪的射击精度与其固有特性有直接关系，具体来说，影响武器连发射击精度的主要原因是武器的低阶振型以及射击频率与固有频率的匹配关系［1］。按照传统观点只要武器基频大于射频的2.5倍以上，就可以不考虑武器振动的影响，其理论依据是在武器的结构阻尼影响下，前一发弹丸射击所引起的振动在下一发弹丸出枪口时已基本衰减。因此，射击频率与固有频率的匹配关系对连发射击精度的影响相对较弱。随着武器重量的大幅度减轻，武器的基频与射频比常常会低于2.5甚至低于1.0，在这种情况下，由前一发弹引起的振动必然对下一发弹产生影响，此时，射击频率与固有频率匹配的好坏将直接影响武器的连发射击精度，因此，要保证机枪具有良好射击精度，就必须保证机枪固有频率和射频的合理匹配［2］。

某型12.7 mm重机枪在设计时广泛采用新材料、新工艺和结构设计新思想，武器重量得到大幅度减轻，但也使该枪在射击时弹性变形较大，从而影响该武器的射击精度。因而，在武器装备部队之初，部队反映该枪的射击精度较差，需要进一步提高武器的射击精度。武器稳定射频与结构固有振动频率之间的匹配关系是影响该型重机枪射击精度的主要因素，因此，优化武器结构参数，改善武器射击频率与结构固有振动频率之间的匹配关系成为提高武器射击精度的关键。

1　某型重机枪射击精度的影响因素分析

由动态稳定性的影响因素可以看出，分析武器射击精度的影响因素应从机枪结构、激励和边界条件3方面因素考虑，图1是针对某型12.7 mm重机枪的结构特点和存在的实际问题，从影响该机枪稳定射频与固有振动频率之间匹配关系的因素出发，分别从枪架刚度、自动机结构参数、自动方式、枪弹参数和驻锄结构对武器射击精度的影响进行了分析［3］。从优化驻锄和枪架结构提高武器射击精度的研究已经很多，武器系统确定以后，其自动原理和枪弹参数也已确定，本文主要从优化自动机结构参数，改善武器射击频率和固有频率匹配性，提高武器射击精度进行研究。

图1　射击精度的影响因素分析

2基于机枪散布精度的频率匹配准则

对机枪进行动力学分析时通常将机枪系统近似为一个线性系统，频域内系统受到某一载荷作用时的响应：

式中，H（ω）为传递函数，与机枪结构特性有关；F（ω）为机枪系统射击时受到的载荷，与机枪射击频率有关。由此，可以看出，机枪的响应不仅与机枪结构动力学特性有关，同时与机枪受到的激励有关。要使机枪获得合理的频率匹配，必须综合考虑机枪结构和射击载荷两个方面。为此，在对机枪进行频率匹配时，可以假定机枪结构不变，通过改变射击频率或者射击频率不变，通过改变机枪结构动力学特性来使机枪达到合理的频率匹配。由于本文的研究对象已大量装备部队，武器的总体结构不能变化太大，可以对局部结构进行调整，因此，可以采用优化射击频率的方法使机枪达到合理的频率匹配。

由振动方程的线性假设可知，系统激励对响应的作用效果是相互独立的，即系统的响应等于在各激励载荷分别作用时响应的线性叠加。

武器系统单发射击时，作用于系统的激励为：

枪口点某自由度方向的响应：

其中，{ fa（t）}为单发射击时弹丸出枪口前后瞬间的载荷激励（包括自动机复进到位撞击、膛压、弹丸对枪管的扭矩、枪口冲量及作用于导气室的作用力）；{ fb（t）}为单发射击时自动机后坐到位的撞击力；xda（t），xdb（t）为单发射击时相应激励作用下的枪口点某自由度方向上的位移响应；xd⊂（x，y，z，θx，θy，θz）。

由于射击时各载荷的作用是相对独立的，因此，武器系统在连发射击时的载荷激励可用单发射击时的载荷表示为（m发连发）：

式中，T为载荷作用周期；ΔT为{fb（t）}相对{fa（t）}的迟后时间；为单位阶跃函数

由此可得连发射击时枪口点的响应：

根据动态稳定性原理（即武器射击时允许武器跳动，但必须保持弹丸出枪口瞬间初始状态一致）确定单自由度目标函数，使得各发弹丸在出枪口瞬间在某自由度方向上相对第一发弹枪口参量的平方和最小。

式中，t0为单发射击时弹丸出枪口时间。

该方法可以在武器结构变化不大的情况下，以提高弹丸出枪口点的一致性为目标，通过调整射击频率使武器频率匹配得到改善，从而提高机枪的射击精度。

3自动机结构参数的灵敏度分析

自动机结构参数对武器射击频率的影响因素很多，如：复进簧的刚度、枪管缓冲簧的刚度、枪机质量、枪机框质量、枪机缓冲簧刚度和枪机框缓冲簧刚度等自动机结构参数都是影响因素，但不同结构参数对目标函数的影响程度不一样，灵敏度分析可以发现哪些参数对目标函数影响较大，从而为系统优化提供更好的参考，避免优化的盲目性，提高优化效率。

3.1机枪动力学仿真模型的建立

机枪虚拟样机模型必须能够反映武器的实际射击状态，在建模时，为了提高仿真准确性并减小计算的工作量，必须对模型进行适当处理。对于射击时变形较大的部件（如枪管、枪架）须作为柔性体计算，对于其他刚度较大且变形较小的可作为刚性体对待。对于压筋、倒角等对仿真影响较小的特征可以删除，对于运动和受力没有影响的部件可以进行等效质量和转动惯量处理。机枪虚拟样机模型的建立包括三维实体建模、约束副的添加、载荷的添加和虚拟样机的校核等过程［4］，某型12.7 mm大口径机枪的刚柔耦合动力学虚拟样机模型如图2所示。

图2　机枪系统的刚柔耦合虚拟样机模型

3.2灵敏度分析

通过灵敏分析可以了解自动机参数对武器射击频率的影响情况，本文利用前文建立的虚拟样机模型对自动机结构参数，如：枪机框质量、枪机质量、枪管缓冲簧刚度、复进簧刚度、枪机缓冲簧刚度、枪机框缓冲簧刚度、活塞横截面积、导气孔直径等等，对武器射击频率的单因素影响规律进行了仿真研究。部分参数的仿真结果如图3、图4所示。由上述仿真结果可以得出各结构参数对武器射击频率影响的灵敏度，结果如表1所示。从表中数据可以看出，对武器射击频率影响最大的结构参数是导气孔横截面积，其次是活塞的有效横截面积、枪机框质量、枪机质量和枪机框缓冲簧刚度，欲改变武器的射击频率应主要考虑上述几个参数；复进簧刚度、枪管缓冲簧刚度、枪机缓冲簧刚度、导气室有效横截面积以及缓冲簧预压力对武器射击频率都有一定的影响，但影响不是特别大。

图3　枪机框质量的影响

图4　活塞横截面积的影响

表1　结构参数对武器射击频率影响灵敏度

4优化结果分析

通过前文自动机结构参数对武器射击频率的影响分析，可以确定出对武器射击频率灵敏度较高的结构参数，本文选择导气孔横截面积、活塞的有效横截面积、枪机框质量、枪机质量和枪机框缓冲簧刚度为优化变量，利用该机枪动态响应曲线的测试结果及基于散布精度的射频优化理论准则，可以确定出该机枪良好频率匹配关系时的射击频率，由于武器的射击频率与自动机运动的最大速度有一定的对应关系，可以根据射击频率确定合适的自动机运动速度，并以此为目标采用序列二次规划算法（SQP）进行优化，优化结果如表2所示。

表2　机枪结构参数优化结果

优化前后自动机运动的位移、速度－时间曲线如下页图5所示，优化后武器的射击频率较优化前降低了65发/min。利用虚拟样机模型可以对机枪连发射击时枪口的响应特性进行仿真，参数优化前后枪弹出枪口瞬间偏离平衡位置的仿真结果对比如下页表3所示。由表3可以看出，优化后每发弹出枪口瞬间更接近平衡位置，说明结构修改后，武器的射击频率与机枪整体结构的固有频率有更好的匹配关系，机枪的射向一致性更好。

图5　自动机的速度－时间曲线对比

5　结论

本文以武器射击精度的频率匹配准则为基础，对自动机结构参数对武器射击频率的影响进行了仿真研究，找出导气孔横截面积、活塞的有效横截面积、枪机框质量、枪机质量和枪机框缓冲簧刚度是影响武器射击频率的主要因素，并采用序列二次规划算法对上述结构参数进行了优化，仿真结果表明，武器射击频率与机枪固有频率的匹配关系得到了优化，武器的射向一致性得到明显提高。

表3　弹丸出枪口瞬时位移的比较（单位：mm）

参考文献：

［1］王瑞林，李永建，张国光．连发武器射频与固有频率匹配关系研究［J］.兵工学报，2000，21（2）:105-107.

［2］李永建，王瑞林，张本军.基于动态稳定原理的机枪结构优化［J］.兵工学报，2007，28（7）:785-788.

［3］张军挪.某型重机枪结构动力学仿真与参数优化［D］.石家庄：军械工程学院，2007.

［4］王瑞林，李永建，张军挪．基于虚拟样机的轻武器建模技术及应用［M］．北京：国防工业出版社，2014.

［5］李睿.管后坐式自动机的后坐体质量优化计算方法［J］.四川兵工学报，2014，34（5）：36-38.

Research on Parameter Optimization of a Certain Gun Automatic Structure Based on Frequency Matching Criteria

ZHANG Jun-nuo，WANG Rui-lin，HUA Bin-bin，KANG Xiao-yong
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Abstract：Firstly the factors that influence the firing accuracy of a certain type of machine gun are analyzed.Then based on the frequency matching criteria and the machine gun dynamic virtual prototype platform which has been established，the cross-area of gas passage and piston，the mass of bolt frame and bolt and the spring stiffness of bolt are main factors on firing frequency through analyzing sensitivity.The sequential quadratic programming optimization method is used to optimize automatic machine structural parameters.The simulation results show that the fired consistency has been improved，which is important for weapon structure optimization and design as well as improving firing accuracy.

Key words：firing frequency，machine gun，automatic，structural optimization

作者简介：张军挪（1978-），男，河南商水人，博士。研究方向：结构动力学仿真及应用。

收稿日期：2015-02-26修回日期：2015-04-28

文章编号：1002-0640（2016）03-0093-04

中图分类号：TJ25

文献标识码：A