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机枪发射机构虚拟样机建模及仿真分析 |
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作者：陈明 马吉胜 |
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1 概述
发射机构作为机枪的一个重要组成部分，在机枪设计中具有重要的地位，其设计质量直接影响着机枪的射击精度和可靠性等战技指标。传统的发射机构设计计算采用的是“几何分析”的方法，主要基于“平面、对称、静态”假设，机构各主要部件的动作靠手工移动图纸来完成。明显地，该方法准确性差且效率低下，已经不能满足现代机枪设计的要求。
近年来，随着计算机技术的发展和多体动力学理论的日益成熟，运用虚拟样机技术分析工程实际问题、辅助机械设计越来越引起人们的重视。本文采用Pro\E和ADAMS为建模工具，建立了机枪扣压式发射机构的虚拟样机并对其进行了校核，证明了所建虚拟样机的可信性。
在此基础上，针对扳机力和阻铁上抬时间等要素对发射机构进行仿真研究。本文的结论证明了虚拟样机技术应用于自动武器研制过程的可行性和优越性，同时也为发射机构进一步的结构优化奠定了基础。
2 扣压式发射机构特点及虚拟样机建模方案
2.1 扣压式发射机构的特点
本文所研究的发射机为扣压式发射机构，由阻铁、发射机(扳机)、发射机座、阻铁簧、发射机轴、保险、限制器、限制器簧等零件组成。其中阻铁是其主要零件，直接与机枪自动机相扣合。发射机由射手操纵，与阻铁通过实体接触完成力的传递。当射手扣压发射机时，阻铁后端下移，阻铁簧受压缩，阻铁的待发面脱离机枪自动机的待发面，自动机在复进簧的作用下，向前复进击发；当射手松开发射机时，阻铁在阻铁簧的作用下上抬，其待发面与自动机的待发面相接，将自动机阻止在待发位置。
与其它机构相比，扣压式发射机构在虚拟样机建模过程中有以下几个特点：1、是一个典型的闭环系统，其拓扑图如图1所示；2、参与传递力和运动的零件外形复杂，造型任务艰巨；3、约束关系复杂，特别是阻铁，完全依靠碰撞来完成预定动作和原始位置的定位。
图1 发射机构拓朴关系图
2.2 虚拟样机建模方案
鉴于研究对象的以上特点，选用美国PTC公司的CAD软件Pro\E作为发射机构的三维实体建模工具，选用美国MSC公司的通用动力学仿真软件ADAMS作为虚拟样机的建模工具，两者之间的接口则采用MSC公司开发的Pro\E和ADAMS之间的专用接口模块Mechanism/Pro(简称为M/Pro)。这主要是因为ADAMS是优秀的虚拟样机分析的应用软件同时也是十分方便的虚拟样机分析开发工具，素以界面友好、功能强大、性能稳定而著称。而M/Pro则可实现Pro\E和ADAMS之间的无缝连接，可以在不退出Pro\E的情况下将发射机构的几何信息以及质量、惯性矩等物理信息等全部导入ADAMS。本文的建模过程如图2所示。
3 虚拟样机建模
3.1 发射机构虚拟样机
根据前面的介绍，将机枪发射机构简化成一个三刚体四自由度的模型。三个刚体分别为发射机座、发射机和阻铁。其中，发射机座与地面固连在一起，发射机与发射机座之间通过旋转副连接，阻铁与发射机座之间通过平面副来连接。各刚体之间根据运动过程中有无碰撞定义接触。最终建立的机枪发射机构虚拟样机如图3所示。
图3 发射机构虚拟样机
3.2 虚拟样机的校核
在虚拟样机的建立过程中，对已建模型进行校核是必不可少的步骤。本文通过三个步骤对所建虚拟样机进行检验校核。首先进行静态校核，对比发射机构的总质量及各零件的质量是否与物理样机一致；其次观察虚拟样机各零件之间的运动是否正常，有无发生干涉；最后，选取阻铁下移量为验证指标，将仿真数据与实验结果进行对比，对样机进行动态校核。表1是在校核样机过程所得的数据。表1 发射机构虚拟样机校核数据表
 从上表可以看出，所建虚拟样机与物理样机的各项数据比较接近，误差均小于5%，满足工程分析的要求。因此可以认为所建的虚拟样机能够反映物理样机的动力学特性，具有较高的可信性。
4 结构参数对扳机力的影响仿真分析
利用所建立的虚拟样机，可以对各结构参数对于设计指标的影响规律进行深入研究。本文以扳机力为例说明其研究过程。
扳机力是指在射手射击中能扣动扳机所需要的最小的力。在机枪发射机构的设计中，扳机力的大小是一个重要的指标。如果扳机力过大，则射手会用力过猛而破坏初始的瞄准状态而降低射击精度；但扳机力如果过小，又容易走火，行军使用时不安全。一般而言，扳机力与各零件所受的外力(如弹簧力)、各工作面的摩擦阻力和运动副中的约束反力有关。由于影响扳机力的因素较多，故长期以来人们往往先确定发射机构的其它参数之后再验算扳机力是否满足要求，这种方法盲目而效率低下。因此，弄清各结构参数对扳机力的影响规律，对于本文利用所建虚拟样机对上述各因素影响扳机力的规律进行了仿真分析。限于篇幅，这里只列出阻铁簧刚度对扳机力的影响规律，如图4所示。
图4 扳机力与阻铁簧刚度之间的关系
从图中可以看出，扳机力的大小跟阻铁簧的刚度成正比的关系。因此在保证安全和阻铁能够及时抬起的情况下，应该尽量选用小的阻铁簧刚度，以获得小的扳机力。
5 结论
本文利用MSC公司的动力学分析软件ADAMS建立了机枪发射机构的虚拟样机模型并对其进行了校核。以扳机力为例，说明了虚拟样机在发射机构设计及结构优化中的具体应用。本文的研究工作表明：将虚拟样机技术引进自动武器的研制领域是可行的，虚拟样机技术在自动武器的设计及结构优化方面具有巨大的技术优势和应用前景。
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(3/4/2010) |
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