基于虚拟样机的一种手枪减小后坐力仿真分析

周田园，姚养无，祁玉秀

(1.中北大学，太原 030051； 2.山西北方机械制造有限责任公司，太原 030009)

【装备理论与装备技术】

基于虚拟样机的一种手枪减小后坐力仿真分析

周田园1，姚养无1，祁玉秀2

(1.中北大学，太原 030051； 2.山西北方机械制造有限责任公司，太原 030009)

采用经典动力学和运动学仿真软件ADAMS建立与手枪物理样机几乎一致的虚拟样机模型。运用MATLAB编写内弹道程序，计算弹丸击发后枪膛内弹道气体压力。在模型中施加载荷，设置相关仿真参数，对虚拟样机模型进行动力学仿真，探讨改进方案对降低枪机后坐速度的影响。

ADAMS；虚拟样机；MATLAB；动力学仿真；减小后坐力

在自动武器射击时，火药气体压力向前的冲量作用在弹丸上使弹丸加速射出枪膛，向后的冲量通过弹壳作用在枪机上使武器后坐。后坐能量除了完成抛壳和转换成重新装填弹药的弹簧势能外，枪机撞击机框产生撞击力。口径越大，火药气体压力越大，枪机的后坐速度越大，枪机与枪机框之间的撞击冲量越大，武器的抖动越大，降低了自动武器射击精度和射击舒适性，延迟了再次射击的瞄准时间。

手枪作为一种小巧轻便的自卫武器，由于体积的限制，不能像步枪一样安装高效缓冲装置和枪口制退器。通常情况下手枪枪机后坐的方向与射手握持力的方向不在同一轴线，这样在射击过程中产生绕虎口握把处的翻转力矩，迫使枪口上跳。如何降低手枪击发后枪机后坐过程中与套筒座之间的后坐冲量，一直是国内外研究的热点领域。我国自主设计的QX-4型手枪采用了旋转枪管技术，在手枪套筒后坐时带动枪管旋转，通过这种内耗能量的方法降低手枪后坐冲量。作者受该结构的启发，借鉴新的理念改进手枪结构，以期达到降低发射时后坐冲量和提高射击精度和射击舒适性的目的。

1 改进方案的原理和运动过程[1]

一种手枪采用半自由枪机自动方式，惯性闭锁机构，该枪枪管通过枪管座和框桥的作用限制枪管横向和纵向运动。拟在枪管外侧设计一段长60 mm的螺旋槽，这段螺旋槽始终与套筒上端的引导突笋扣合(如图1)。手枪击发套筒开始后坐到套筒复进到位的整个过程中，套筒上的引导突笋驱动枪管回转，消耗枪机后坐的一部分能量，这样可以降低枪机的后坐速度，从而降低手枪的后坐冲量，提高射击精度。

图1 改进后的手枪三维模型

2 虚拟样机的建立

2.1 模型系统的基本假设[2]

根据手枪各部件的结构特点和射击时的运动规律，为便于分析仿真结果，对该模型进行如下假设：

(1)模型系统中的部件(除弹簧外)都作刚性处理；

(2)复进簧的内耗、重力和自身振动对其弹力的影响忽略不计；

(3)枪身的运动看作平面运动；

2.2 虚拟样机模型的建立[3]

手枪结构比较复杂，先利用三维建模软件UG，建立三维实体模型。全枪主要包括枪管、枪管座、框桥、自动机、套筒、套筒座、左机座、右机座等组件。然后将三维装配体模型另存为.x_t格式的副本，再导入ADAMS软件，在ADAMS/View模块中赋予相关的材料属性并对模型进行简化。忽略对仿真结果没有影响的零件，添加线性弹簧阻尼器替代模型中的复进簧(刚度0.85 N/mm，预压力25N)。

3 虚拟样机载荷定义

3.1 内弹道膛底合力的计算[4]

依据火药在内弹道的燃烧规律和运动构件的运动微分方程，利用MATLAB编写内弹道程序，求解各微分方程，计算出膛过程中“压力-时间(t-p)”曲线如图2所示。然后导入ADAMS生成Spline曲线。再把计算得到的力沿z轴正向用AKISPL函数施加到虚拟样机的枪机上，形式为“AKISPL(time，0，Spline_x，0)”(x为Spline曲线序号)，然后再将其乘以枪膛横截面积求得膛底合力。本文简化力的加载，将求得膛底合力直接加载到枪机上,研究改进后枪机速度的变化。

图2 内弹道压力-时间曲线

3.2 手枪的运动副[5]

在仿真之前将不产生相对运动的构件如左机座和右机座，框桥和套筒座，枪管块和框桥分别合并成一个整体，将套筒座与地面固定。还需要明确虚拟样机的运动副，手枪的运动副如表1所示。

表1 手枪的运动副

4 仿真结果

为了说明设计有效，把通过新设计模型获得的数据与设计前模型获得的数据进行对比。令原枪模型为A，改进后的手枪模型为B。A模型的手枪枪机后坐速度曲线与枪机后坐位移曲线为图3和图4；B模型手枪采用新设计方案即枪管上开螺纹槽，枪管随着套筒后坐转动。为了仿真结果准确全面，设置枪管外表面螺纹槽曲线导程分别为35 mm、50 mm、75 mm三种情况，研究不同螺旋槽曲线导程对自动机后坐速度的影响。仿真结果如图5和图6所示。

图3 A模型枪机后坐速度曲线

图4 A模型枪机后坐位移曲线

图5 螺旋槽曲线导程分别为35 mm、50 mm、75 mm时，B模型枪机运动速度曲线

图6 螺旋槽曲线导程分别为35 mm、50 mm、75 mm时，B模型枪机运动位移曲线

5 仿真结果分析

由仿真曲线可知，枪管外表面螺旋槽曲线导程越小，消耗的枪机后坐能量越多，枪机在后坐过程中速度越小，后坐的枪机撞击机框所产生的后坐冲量越小，对射手的冲击越弱，枪口的抖动越小。整理枪机运动仿真结果为表2。

由表2可知枪管外表面螺旋槽导程分别为75 mm、50 mm、35mm时枪机最大后座速度分别比原枪减小23.0%、33.2%、45.0%。枪机后坐到位速度分别比原枪减小31.4%、44.9%、61.0%。枪机后座到位动能分别比原枪减少53.0%、67.5%、84.7%。所提出的改进方案能明显降低枪机后坐速度和枪机的后坐能量。

然而并不是枪机的后座速度越小越好，因为枪机速度变小，复进速度也小，自动机的循环时间随之延长(如表3所示)，枪管外表面螺旋槽导程分别为75 mm、50 mm、35 mm时自动机的循环时间比原枪增加26.1%、37.1%、57.3%。

表2 不同枪管外表面螺旋槽导程枪机的运动情况 (m·s-1)

自动机的循环时间影响手枪的射频，要保证枪机的循环时间变化不大，否则影响手枪的实际战斗效能。因此在确定枪管外表面螺旋槽曲线导程时，要综合考虑这两个因素。通过这3种不同螺旋槽导程分析，枪管外表面螺旋槽曲线导程为50 mm时较合适。

5 结论

本文所提出的减小枪机后坐到位时形成的后坐力的改进方案可行，为枪械的研制和改进提供了新的思路和方法。

[1] 姚养无.火炮与自动武器动力学[M].北京：兵器工业出版社，2000.

[2] 武俊明，姚养无.某型榴弹发射器自动机动力学仿真[J].火炮发射与控制学报，2009(6)：66-68.

[3] 刘晋霞.ADAMS 2012从入门到精通[M].北京：国防工业出版社，2007.

[4] 郭东海，姚养无，郭光全.某榴弹发射器虚拟样机的建模与仿真[J].机械，2013(2):16-18.

[5] 张辉，张相炎.浮动自动机弹簧机构的改良设计[J].兵工自动化，2015(6):25-26.

(责任编辑周江川)

Analyzing Dynamics Simulation of Decreasing Recoil of a Pistol Based on Virtual Prototype

ZHOU Tian-yuan1, YAO Yang-wu1, QI Yu-xiu2

(1.North University of China, Taiyuan 030051, China；2.Shanxi North Machinery Manufacturing Co., Ltd., Taiyuan 030009, China)

Basing on automatic dynamic analysis of mechanical system ADAMS software as an example, we set up simulation model that are the same as actual prototype. We calculated the gas pressure during the periods of internal ballistic by MATLAB language. Imposing binding on all the moving parts in the model and setting the related parameters, we simulated the virtual prototype model by ADAMS software to explore the impact of improvement project to reduce the bolt recoil velocity.

ADAMS; virtual prototype; MATLAB; dynamics simulation; reducing the recoil

2016-09-19；

2016-10-09

周田园(1989—)，男，硕士研究生，主要从事自动武器计算机仿真。

姚养无(1961—)，男，教授，博士生导师，主要从事发射系统动力学与仿真技术，新概念新原理武器技术，模拟实验技术，机械结构设计与动力学仿真技术等方面的研究。

10.11809/scbgxb2017.01.021

周田园，姚养无，祁玉秀.基于虚拟样机的一种手枪减小后坐力仿真分析[J].兵器装备工程学报，2017(1):88-90.

format:ZHOU Tian-yuan, YAO Yang-wu, QI Yu-xiu.Analyzing Dynamics Simulation of Decreasing Recoil of a Pistol Based on Virtual Prototype[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):88-90.

TJ21

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