1、枪械自动机有限元模型研究摘要：论文是关于枪械自动机的仿真，以某小口径手枪系统为物理样机模型，对联合 SOLIDWORKS 建模软件和动力学仿真软件 COSMOS 对其进行有限元仿真时的模型传递方法进行了研究，主要分析了 M1911 手枪自动机及击发发射机构的动作原理及设计思想，并以此在仿真环境中建立了机枪系统的虚拟样机模型利用虚拟样机仿真技术对自动机后坐与复进时的运动进行仿真分析计算，得到了各运动构件运动关系和自动机部分结构的仿真的结果。对于这些技术在自动机方案设计中的应用所需要解决的关键闸题进行了研究，并提出了相应的解决方案，并解决了如枪械自动机的进弹问题，缓冲装置的选择，SOLIDWORK
2、S 的建模和 COSMOS 的仿真，通过虚拟样机仿真分析，说明其设计合理，能很好地完成自动动作。关键字：手枪 建模 虚拟样机 有限元仿真第 1 页 共 37 页Automatic machine guns finite element modelAbstract ：Papers on the movement of arms and automatic testing and simulation, to a small-caliber pistol system for physical prototype model of the Joint SOLIDWORKS modeling sof
3、tware and dynamic simulation software COSMOS its finite element simulation model of the transmission methods of the study, Analysis of the main M1911 automatic machine pistol and fired the principle of action and design ideas, and the simulation environment in the establishment of a virtual machine-
4、gun prototype model of the system Use of virtual prototype simulation technology to automatically recoil and the rehabilitation of the movement into the simulation analysis, the campaign has been movement between components and automatic machine part of the simulation results. For these technologies
5、 in the auto-design of the need to address the key gateway that were studied and the corresponding solutions, and address such as the automatic machine guns into the bomb problem, the choice of buffer devices, SOLIDWORKS construction COSMOS simulation model and, through virtual prototype simulation
6、analysis on their rational design can be completed automatically moves very well. Keyword: Modeling virtual prototype pistol FEM1 引言1.1 本文工作概述本文在对自动武器核心部件 1 自动机方案设计特点分析的基础上，运用综台评估、决策的方法，基于规则推理和实例设计等原理和技术开发了一套枪械自动机方案设计系统。枪械中的自动机部件是决定武器性能的重要组成部分,在自动武器的实验研究中占有重要地位。自动机研究状况对自动机运动规律的研究是研究自动武器性能的主要环节之一。自动武
7、器是一种高温、高压、高速的热力自第 2 页 共 37 页动机械 2，而自动机又是自动武器的心脏部件。自动机的运动比较复杂，在运动过程中会伴随着激烈的、规律复杂的撞击、摩擦、振动和跳动等，但是自动机的性能及工作状态，不仅关系自动武器的整体性能，而且关系到自动武器的使用。因此，对自动机运动规律的研究是有重要意义的。利用多刚体动力学软件建立自动机运动构件三维实体模型, 将真实的构件质量特性输入到模型中, 对各构件之间建立运动副并进行运动约束, 然后添加各种力元形成动力学仿真虚拟样机, 最后进行仿真计算。采用Solidworks 3软件进行几何造型，通过接口文件导入到ANSYS 中添加载荷、约束、材料
8、、质量属性和各个接触关系后，可以建立虚拟样机模型。为构建虚拟样机平台的框图，按照该框图构建的仿真平台可以实现各种枪械自动机的数值仿真分析，得到自动机各关键构件的运动学和动力学特性参数。对于这些技术在自动机方案设计中的应用所需要解决的关键闸题进行了研究。自动机是自动武器系统的核心，由闭锁、抽壳、抛壳、供弹、击发机构的全部或部分构成，完成推弹入膛、闭锁、击发、开锁、抽壳、后坐、抛壳等一系列功能。其方案设计的目标是通过对全枪设计的技术 战术要求进行分析，确定其功能结构，寻找实现每种功能的所有可能的机构类型，确定参数并尽可能优化。固此自动机方案设计过程主要可以包括结构类型的选择，确定结构的主要参数两部
9、分。1.1.1选题背景及意义论文以重点预研项目为应用背景，针对枪械自动机进行有限元仿真分析。现代战争中，对于小口径武器 4来说，射速和射击精度无疑是表现其作战效能的两个关键因素。但是在现代战争中，不仅要求枪械具有高射速和高精度的作战效能，还对其提出了其他方面的要求，例如还希望枪械系统能够具备功耗低、易控制、高机动性等等，如何将这些优点集中于一个自动机系统中正是我们以后所要追求的。目前，采用转管技术 5能获得很高的射速。转管自动机一般有内能源式和外能源式两种，内能源式自动机依靠火药气体的能量来带动自动机完成其自动循环，像俄罗斯的 AK630 内能源转管自动机;外能源式自动机依靠外部供能机构，如电
10、动机、气动马达、液压马达等带动自动机完成循环工作，如美国的 M61A1 等。尽管如此，普通的转管自动机系统很难适应野战的要求。这是因为，它们都有各自的不足之处:外能源转管炮在高射速射击时消耗的能源功率很大，野战环境下难以提第 3 页 共 37 页供，一般只能通过大幅度的降低射速来减小功耗，以满足野战防空要求;而内能源转管炮，每次射击都必须依靠专门的启动装置，完成首次发射后，才能依靠后续的火药气体 6能量完成自动循环动作，启动系统复杂，不适合用于频繁射击，难以适应野战要求。新型祸合源转管自动机采用的是以内能源为主动力源，而外源电机则起到首发启动及射击过程中机电能量的相互转换作用。首先由电机带动自
11、动机到一定转速，进行首发射击，然后首发炮弹的火药气体能量驱动自动机循环运动。同时，电动机在完成首发射击后并不停转，而是继续驱动自动机做循环运动，达到内外能源祸合驱动的效果。所以，自动机的整个驱动方式就是电动机(外能源)与火药气体能量(内能源)之间的祸合。这样的自动机既解决了首发启动射击的问题，连发射击时所需电动机的功率也大大下降了，极大的扩展了转管武器的应用场合，也满足了野战防空反导的要求，有利于填补野战防空方面的空缺，对野外防空反导具有重要意义。1.1.2 主要工作内容论文以手枪自动机为研究对象，进行有限元仿真分析 7。应用SOLIDWORKS 软件对转管自动机进行建模;结合电机带动的内外源
12、祸合式自动机，分析自动机在整个工作循环过程中各个构件的运动关系;应用自动机系统动力学理论建立动力学模型;选用适合转管自动机动力学模型的仿真算法，分析自动机的性能。主要内容有:a.对自动机进行三维实体建模;b.分析自动机在整个工作循环过程中各个构件的关系；d.运用仿真软件，对自动机在动力学过程进行仿真分析，得出仿真结果，并对自动机在不同参数下进行仿真，分析各参数对自动机性能的影响，为参数选取提供重要依据。1. 2国内外研究现状及发展方向1.2.1自动机的现状与发展。随着现代战争近程的需要，2040mm 口径的小口径武器倍受青睐，射速是小口径武器作战效能的关键因素之一，也是小口径枪械自动机发展永恒
13、追求的目标。提高射速的目的是在尽可能短的时间内，将弹丸发射出去，形成有效弹幕，击毁敌方。为了得到更高的武器射速，设计师们一直致力于研究新型的武器自动机原第 4 页 共 37 页理。转膛原理的应用使自动机的射速较前有很大的提高，而转管自动机的出现就使得武器射速得到了成倍提高。转管自动机按管数分有七管、六管、五管、四管及三管等，按提供身管匣旋转能源形式分有外源、内源等，按口径分有 20mm, 25mm, 30mm, 35mm 等。美国与欧洲以外源式为主，而俄罗斯则以内源式为主。美国从 1946 年开始致力于多管转管自动机的研制工作，多管转管自动机利用了“格林”机枪的旋转原理，使得自动机的射速得以成
14、倍地提高，武器的威力显著增加。经过 10 年的研制，口径 20mm 的 M61AL 型 6 管转管自动炮于 1956 年问世，其射速可达 6000 发/分。七十年代，美国又以它为基础研制出了第一代近程反导武器系统。进入八十年代后，美国又研制出了装有 30mm 口径的 7 管转管“守门员”近程反导武器系统，广泛装备于美国和西方各国部队中。期间美国先后研制了 M214,M314, GECAL-50, GAU-12U, M188, GAU-8/A 及 GAU-13/A 等系统的转管武器。其中 GECAL-50 为内能源转管自动机，但口径只有 12. 7mm，反导威力有限。前苏联也于七十年代初研制成功
15、了转管武器23mm 和 30。的 6 管内能源转管炮，及以 30 六管转管炮 8为基础的近程反导武器系统。期间前苏联先后研制了AO-18, r 630K 等。内能源转管炮利用火药气体通过活塞装置、齿轮机构驱动身管旋转，为了减少身管的转动惯量，采用小药室结构，以牺牲一些内弹道性能来获得较好的整体性能，同时采用管外水冷措施，以提高身管使用寿命。我国目前已经研制出了不同形式的转管自动机样机。转管炮可显著提高武器平台的作战效能，具有以下优点:a 多根身管轮流工作，解决了射速高、寿命长、后坐力小三者之间的矛盾:b 外能源转管炮便于射速调节;c 多根身管相互固定，减少了炮口扰动幅度;d 采用多管转管自动炮
16、，可以实现中炮布置，利于提高系统的射击精度:e 转管式速射炮结构简化，故障率低，可靠性高;f 应用范围广，适用于空基、陆基、海基的三军通用武器系统。13 自动机主要机构原理及性能1.3.1转管自动机原理第 5 页 共 37 页转管自动机，不管是在国外还是在国内，一般都是以单一能源作为驱动源的。对于内外源藕合驱动，还是非常少见的。虽然在前期己经研制出了某一型号样机，并在初步试验中取得较好成效，但要完善技术还有待进一步理论分析和试验。1.3.2 外源式转管自动机 9外源式转管自动机，其工作原理是:由外部能源带动一组身管绕一中心轴旋转，每根身管依次转到适当位置即进行供弹、输弹、击发、抛壳等自动机动作
17、。各身管有自己的机心，机心在沿机匣中的导轨作前后往复运动的同时，还受炮箱内曲线槽的制约，迫使机心随机匣绕中心轴旋转，同时完成自动机一系列的动作。外源式转管武器外部能源驱动方式主要有:a.电动机，其电源可由武器平台发电机提供，也可由高效能蓄电池供;b.气压源驱动，其气源可由小型空气压缩机、发动机废气或火药弹提供:c.液压马达，一般从武器平台的液压系统中引出一支路作为能源。外源式转管自动机，其外部能源的选择是一个比较关键的技术，主要考虑的问题有:a.能源种类的选择，根据不同武器系统本身的能源条件选择不同外能源，而同一武器系统尽可能减少能源种类;b.能源的选择要满足射速、启动快速性等战技术指标的要求
18、，必须具有合适的功率;c.外部能源装置的体积、质量应满足不同武器系统的总体布置。1. 3. 3内源式转管自动机 10内源转管自动机采用一个双向作用的导气装置，炮弹产生的火药气体经身管导气孔输入到导气装置中，推动自动机相关机构运动，完成自动机工作循环，实现连发射击。内能源式转管自动机扩大了转管武器的应用场合，使得转管武器具有更好的适应性。内源式转管自动机，其工作机理相对复杂。当转管自动机首发启动(电启动或气启动)后，门体击发炮弹，炮弹弹药燃烧推动弹丸运动，当弹丸运动到身管导气孔后，火药气体进入导气筒，推动导气筒内活塞前后运动，通过一系列机构带动机心匣转动，约束于星形体滑槽与炮箱曲线槽内的机心支架
19、，带动门体一方面随机心匣旋转另一方面沿着机心匣往复运动。机心的往复直线运动，配合闭锁器、第 6 页 共 37 页解锁器、除链器等，完成输弹、锁膛、击发、开锁、抛壳等动作，即完成一发炮弹的射击全过程。内源式转管自动机是以火药气体为能量推动自动机完成循环的，因此存在首发启动的问题。一般说来，实现首发启动的方式主要有:a.冷气启动，如俄罗斯的舰载 AK63011，其工作原理是 :发出“射击”指令后，经过一定的迟滞时间，电控气阀接通，储气瓶内的高压气体进入缸体，克服弹簧阻力推动活塞与齿条移动，带动一系统的机构运动，实现首发弹击发，完成整个启动过程。受气源的限制，这种启动方式主要适用于舰载武器系统。b.
20、火药弹启动，如俄罗斯的 III-630，一般是靠专门的火药弹产生高压火药气体通过一套专门的机构完成首发弹的击发。主要应用于使用次数较少的航空武器系统。c.电机启动，利用武器平台本身的电源或自身蓄电池提供电动机运转能源，由电机通过一系列的传动机构带动转管炮身管转动完成首发启动，然后再通过特有的离合器装置断开外能源驱动力的传递。1.3.4内外藕合源转管自动机祸合源自动机 12是一种新型的自动机，驱动源是火药气体能源和电机能源的祸合，故称之为内外祸合源自动机。内外祸合源自动机是在内能源转管自动机的基础上加以改进的，它使用电机启动，电机先带动身管组转动到一定速度，再通过离合器带动供弹机开始供弹，完成射
21、击动作，然后火药气体能量通过导气孔与活塞等的作用驱动自动机作循环运动。同时，电动机也继续驱动自动机运动，达到内外能源祸合驱动的效果。这样既解决了首发启动射击的问题，射击时所需电动机的功率也大大下降了。并且保证了射击一开始就持续在一个稳定的转速下，提高了启始数发炮弹的射击精度。同时，可以通过控制电机实现对整个自动机的控制，使得控制系统更加简便。这样扩展了自动炮的应用场合，使其更适合于野战防空反导要求。我们所构建模拟试验系统的模拟对象为 M191113式手枪，即在所构建的模拟试验系统作用下，可以使 M1911 式手枪自动机完成在真实射击情况下的一系列动作。M 1911 式手枪自动方式为导气式。扣动
22、扳机，解脱阻铁对枪机框的扣合，枪第 7 页 共 37 页机框在复进簧的作用下推动枪机一同复进，相继完成推弹入膛，驱动拨弹滑板返回拨弹起始位置；闭锁弹膛；最后，枪机框带动击针体一同撞击击针，打燃枪弹底火。击发后，弹丸在膛内向前运动，弹丸越过枪管上导气孔位置后，气体经调整器进入气室并冲击活塞，活塞带动枪机框一起后坐。后坐的枪机框一方面压缩复进簧，另一方面完成了枪机的开锁、抽壳、抛壳和拨弹等动作，后坐到枪机框撞击枪尾缓冲簧而终止。此后缓冲簧伸张，枪机框复进。M1911 采用单动发射机构，只能单发射击。它的击发与发射机构由击针、击针簧、击锤、击锤簧、阻铁、阻铁簧、单发杆、扳机连杆、扳机组成。其中，单发
23、杆是一个杆状件，与阻铁装配在一起，它既可上下做直线运动，也可与阻铁一起绕轴回转。其下部有一凸耳。套筒复进到位后，单发杆上移进入套筒的缺口内，凸耳与阻铁啮合在一起，这时如果压紧握把保险并扣扳机，则可释放处于待击位的击锤。如果套筒未复进到位，单发杆被套筒压下，凸耳则处于阻铁下方，与阻铁脱开，此时虽压紧握把保险并扣动扳机，则不能释放击锤。单发杆除有上述作用外，还可避免扣一次扳机形成连发。保险机构正是作用于击发与发射机构，才能实现全枪的保险。和许多现代手枪一样，M1911 有多种保险机构 14，能防止该枪意外走火。M1911 的保险机构包括手动保险、握把保险、半待击保险。手动保险钮位于枪身左侧后上方。
24、将保险钮推到上方，保险钮进入套筒的缺口内，限制套筒的前后移动。同时，保险机的内凸轮面与阻铁啮合，限制阻铁向前回转，这样，虽扣扳机却不能释放处于待击位(阻铁上部突齿卡入击锤待击槽内)的击锤。手动保险能确实锁定套筒和待击的击锤，保证手枪待击携行的安全。M1911 的手动保险钮设计得大小适中，利于隐蔽携带或战术应用，拔手枪时不易于钩挂衣物。握把保险位于握把持握虎口处。在簧力作用下，握把保险自动处于保险位置，此时握把保险凸齿抵在扳机连杆上，限制扳机连杆后移，使扳机扣不到位。只有虎口压紧握把保险，使握把保险凸齿与扳机连杆脱开，此时扳机连杆可自由向后移动，才能将扳机扣到位。有些人觉得手枪上不必要设置握把保
25、险，其实自卫手枪有这种保险更安全。第 8 页 共 37 页M1911 手枪性能数据口径：0.45 英寸（11.43mm）弹药：0.45 英寸（11.43mm）柯尔特手枪弹，7 发弹匣供弹弹头初速 247m/s有效射程为 50m枪全长 218mm枪管长 128mm瞄准基线长 160mm枪全重 1.1kg。第 9 页 共 37 页2 自动机工作原理2.1 供弹机构工作原理该武器供弹机构的结构形式为弹链供弹，拨弹滑板往返移动式输弹。自动机后坐到输弹行程，枪机框向后移动的过程中，枪机框上的枪机柄进入拨弹曲柄的叉形槽内以后带动拨弹曲柄转动，拨弹曲柄上方的圆头带动滑板拨杆转动；滑板拨杆的另一端向内拨动拨弹
26、滑板；拨弹滑板上的拨弹齿向受弹器内拨动枪弹；弹链与枪弹分别沿脱链器的上平面和下方曲面移动而相互脱开；脱开的枪弹被弹链归正在进弹口位置；第二发枪弹则被阻弹齿止住。枪机框继续后移，枪机柄与拨弹曲柄脱开；拨弹曲柄被制动销固定在后方位置；枪机框后移到位，复进时被阻铁扣住而停在后方。扣动板机，自动机在复进簧作用下复进。枪机上的推弹突笋将位与进膛位置的枪弹沿进膛导铁推入膛内；与此同时，枪机柄进入拨弹曲柄叉形槽内，带动拨弹曲柄向前方转动；拨弹曲柄通过滑板拨杆返回拨弹起始位置并抵住第二发枪弹。自动机继续复进，枪机柄与拨掸曲柄脱开，拨弹曲柄被制动销固定在前方位置；自动机复进到位；击发。进弹机构的作用是把位于进弹
27、门或取弹口的枪弹从弹链内取出并送进弹膛，炮弹从起始位置到进入膛内确定位置所经过的路线称进弹路线，起着这一作用的各零件和机构的总和则称为进弹机构 U 。一般来讲进弹机构设计中，很重要的一点就是避免弹头或引信作导引基准，更不能使弹头或引信与膛壁发生碰撞，对于推式供弹机构，最理想的方式就是使进弹前炮弹在受弹器进弹口或取弹口时，弹的轴线与炮膛轴线重合，这样，理论上讲弹头是不会与炮管膛壁发生碰撞的。当弹轴线与炮管轴线存在一定的高度差及夹角时，要满足弹头或引信不与炮膛壁碰撞。2.1.1 进弹问题分析通过反复调整炮箱上固定导引面，可以在一定程度上减小炮弹撞击炮管膛壁时倾角，对弹头或引信的损伤可以有一些缓解，但还不能从根本上解决弹头或引信与炮管膛壁的碰撞。整个进弹过程中，弹头及引信在较长一段距离上将起到导引的作用，这主要是由于在推弹前，弹与弹膛轴线间距离较大，达到42mm，而弹尖离炮管尾端面距离较小，仅为52mm，显然，要在52mm的距离上使弹迅速下压42mm，并使弹倾角翻转到与炮膛同轴线，必然出现较大的翻转力矩，而又由于自动机结构的限制，翻转力矩的提供必然来自于弹头或引信部分与炮箱固定导引面
