火炮与自动武器系统动力学

图3-36为击锤的角速度、角加速度曲线。图3-37为击锤与扳机接触处 的受力曲线。图3-38为枪弹质心位置变化曲线。
下面给出抛壳过程中弹壳底部中心点的位移、速度、角速度变化曲线。 从图3-39、图3-40、图3-41中可以看出，弹壳被抛出以后，是旋转地
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图3-36 击锤的角速度、角加速度曲线
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图3-21
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二、 自动机运动诸元的测定
自动机运动诸元的测量采用最多的是感应测速传感器。感应测速传感 器的结构原理如图3－22。
图3-22 感应测速传感器原理图
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3.3.4 模型验证参数获取
一、 射击频率指武器每分钟发射的弹丸数量，是表示自动武器性能的一个
指标。前面介绍的感应测速传感器也可以用来测定射击频率。下面再
一、 质量 （1） 工程图纸上通常都包括尺寸、质量、材料等重要信息，可以直
（2） 目前常用的CAD软件都具有计算质量、质心、转动惯量、尺寸 等功能。不同的CAD软件，参数获取的方法不同。
（3）
二支点称重法。如图3-7
三支点称重法。如图3-8
倾斜称重法。如图3-9
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图3-7二支点称重原理示意图
通过仿真计算，得到枪机框的位移和速度变化曲线如图3－35所示。
（1） 枪机框的自由行程为9mm，开锁前自由行程末枪机框的速度 为 8.74m/s，时间为1.7ms。 枪机框与枪机的碰撞结合时：枪机框的速度为8.6m/s，下降了 0.1m/s 开锁阶段：枪机框的总位移为21.39mm，开锁行程末，枪机框的速 度为 7.2m/s，时间为3.05ms 闭锁前枪机框的运动：枪机框的速度为2.6m/s，时间为72.5s 闭锁完毕后枪机框的运动：枪机框的速度下降为2.2m/s
（2） 实验获取方法。图3－14为火炮高低机刚度系数的测试原理图。
高低机的刚度系数： 回转体的刚度系数：
k
H F
k
H F
（3－11） （3－12）
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图3-10 物理摆测试原理图
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图3-11 倒摆测量法示意图
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图3-12 三线摆原理图
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图3-13 某枪击锤簧刚度示意图
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图3-8
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图3-9 倾斜称重法原理示意图
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二、 转动惯量获取方法 （1） 物理摆测试方法。物理摆测试方法的原理如图3－10所示。
Jc
T 2 (h1mp h2m)g
4 2
mh22
Jp
（3－7）
（2） 倒摆法。有些部件用物理摆法测量很不方便，可以采用倒摆测 量方法。倒摆测量法的原理如图3－11所示。
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第四节 火炮与自动武器系统动力学仿真
3.4.1 通用仿真工具介绍
一、 ADAMS简介 二、 ADAMS ADAMS仿真分析的一般步骤如图3－27所示。
（1） 设置工作环境。 （2） 创建物体。 （3） 创建约束副。 （4） 施加载荷。 （5） 仿真分析及调试。 （6） 仿真结果后处理。
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图3-17
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图3-18 活塞式应变测压传感器
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图3-19
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图3-20 晶体压杆传感器
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3.3.3 模型运动参数获取
一、 （1） 测时仪。测量弹丸速度常常使用电子测时仪。电子测时仪的原
理图如图 3－21所示。它由下列部分组成：脉冲发生器、检查讯号发 生器、电子开关、计数器。 （2） 区截装置。用测时仪测量时间，必须要有能让弹丸飞入和飞出 的传感器，这种传感器在弹道测试中称为区截装置，习惯上也叫 “靶”。靶的种类有如下几种： 网靶、线圈靶、短路靶、声靶、光电靶、天幕靶
可以采用两种方式：面接触和点线接触。模型分别见图3-30、图3-31
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图3-30 Solid-Solid接触关系
图3-31 轨迹副
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三、 载荷确定 通常要考虑的载荷包括：火药气体作用力、作用于弹壳上的抽壳阻力、
推弹阻力等 1.火药气体作用力 根据膛内火药燃气压力的变化特点，可将火药燃气压力作用的全过程
（1） 铜柱测压器。如图3－16所示 （2） 空腔式测压传感器（图3－17）。 活塞式应变测压传感器（图3－18）。 垂链式应变测压传感器（图3－19）。 （3） 压电测压传感器。 （4） 冲击波测压传感器。 晶体压杆传感器（图3－20）。 改进的压电传感器。
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图3-16 旋入式测压器
三、 测力的主要方法是测有关弹性元件的变形。火炮与自动武器上的力多
半要动测，所以采用电阻应变片测定变形。 （1） 测力弹性元件的设计。 （2） 测力传感器的应变电桥设计。 四、 射击精度测试 评价火炮与自动武器的射击精度时，应考核其散布中心误差和射击密
集度是否合乎要求，为此，一般须先校正样枪的瞄准具（可用冷枪校 正镜），使表尺归零时瞄准线与枪膛轴线基本平行。然后，以类似试 枪与射效矫正的方法和要求做好准备，视不同枪种，在一定射距上， 以单发和（或）点射进行。
（3） 建立模型时，必须作模型简化与分析，并将所得精度进行比较。
① 部件简化。 ② ③ 载荷简化。 ④ 系统简化。
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第三节
根据模型参数获取的目的不同，可将武器系统动力学模型的参数分为
（1） 模型物理参数。 （2） （3） （4） 模型验证参数。
3.3.1 模型物理参数的获取
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3.4.2 枪械系统发射动力学仿真
这里以56式762mm冲锋枪为例，介绍其自动机的仿真建模及分析过程。
一、 56式762mm （1） （2） 不考虑子弹发射时的作用在枪管上的阻力。将火药气体作用力
（3） 在自动武器的运动分析中，抽壳阻力是必须被考虑的。 二、 多刚体系统动力学模型 56式762mm冲锋枪多刚体系统动力学模型为16刚体23自由度模型。 模型建立的关键是在枪机的定型凸笋和枪机框的定型槽关系的处理上。
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图3-34 扳机扣动，扳机与击锤解脱
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图3-35 枪机框运动特性曲线
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（2） 开锁的时间为3.05ms，膛内火药气体压力这时为3.6MPa， 因此开锁是在膛内火药压力降低时进行的。
（3） 枪机框速度变化不大，说明开闭锁动作是平稳的。碰撞和传动
（4） 在开锁结束段枪机框速度出现抖动，是由于枪机自锁多次碰撞 引起的。
J
T2
4 2
(k1l12
k2l22
mgh) mh2
（3） 三线摆装置测试方法。原理图如图3－12所示。
（3－8）
J
R2T 2mg
4 2l
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三、 刚度系数获取方法
（1） 刚度示意图。通常在二维工程图中，不会直接标出刚度系数， 而是画出刚度示意图（力-位移或力矩-角度曲线），可以通过计算得 到大致的刚度系数。如图3－13为某枪击锤簧刚度示意图
（1） 自行编写程序。编写程序进行仿真分析的一般步骤见图3-1。 （2） 应用成熟的通用多体系统动力学仿真软件进行武器系统仿真分
析。这种方法目前应用最多。这种方法的一般分析步骤见图3-2。 确定仿真的对象、目的、要求。 武器系统图形化建模。 动力学求解。 仿真结果分析。
武器系统优化。
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a 1 1 1
s
（3－31）
b i0 pd
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2.
抽壳阻力是指拉壳钩从枪膛中把弹壳拉出时所遇到的阻力。将锥形弹 壳看作是一个具有平均直径和平均壁厚的圆柱形弹壳，抽壳阻力可由 以下公式近似求得
F
f
0lk
pd1
2E1
2x
d pj来自百度文库
1 4
d12
p
四、 模型验证
（3－33）
（1） 秒表法。 （2） 电磁感应法。 二、 枪架体的跳动一般是指射击时枪架前支点对地面的跳动量；架体的振
动则是射击时由于间隙或架体构件的弹性变形而引起的振动。 （1） 机械法。 （2） 应变电阻法。 （3） 利用测振仪测位移。测振仪分为两类。一类是磁电式拾振器，
另一类是压电式拾振器
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图3-14 刚度系数测试原理图
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四、
（1） 自由振动法。在构件的前端分别沿垂直方向或侧向施加一作用 力，然后突然释放。或者用冲击锤沿垂直方向或侧向敲击构件前端部， 使构件在俯仰方向或侧向产生一种衰减振动。用加速度传感器测出该 衰减波形，波形如图3－15所示。
可按下式求出阻尼比： 2m ln x0
（3－27）
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图3-32 膛内火药燃气p-t曲线
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β
——经验公式：
vpjm
b0
（3－28）
——理论公式：
C d pk L v0
（3－29）
（4） 导气室作用力。
对于静力作用式导气装置，描述气室压力变化规律的布拉文经验公式
为
t
a 1
F pd e b (1 e b )ss （3－30）
模型验证的方法，通常是将多体系统仿真模型的仿真计算结果与试验 结果相比较，也可以将仿真计算结果与传统理论计算的结果进行比较。 56式7.62mm冲锋枪自动机试验运动参数与上述多体模型仿真计算 得到的运动参数比较如表3－3：
由表3-3可看出，仿真结果与试验结果相似，所建仿真模型是合理的。
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第3章 火炮与自动武器系统动力学
第一节 火炮与自动武器系统动力学分析步 骤
第二节 火炮与自动武器系统动力学模型建 立方法
第三节 模型参数获取 第四节 火炮与自动武器系统动力学仿真 第五节 基于ADAMS的火炮与自动武器系
统优化
第一节 火炮与自动武器系统动力学分析步骤
3.1火炮与自动武器系统动力学分析步骤
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图3-37 击锤与扳机接触处的受力曲线
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图3-38 枪弹质心位置变化曲线
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图3-39 弹壳抛壳路线
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图3-40 弹壳抛壳速度
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图3-41 弹壳抛壳角速度
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3.4.3火炮发射动力学仿真
一、 由于自行火炮行进间发射时的运动和受力十分复杂，在建立动力学分
析模型时不可能考虑到全部影响因素，为了反映火炮的主要运动和受 力，建模时只考虑影响火炮受力和运动的主要因素，忽略其次要因素。
在建立武器系统动力学模型时应充分掌握与实际系统有关的信息，一
（1） 建模的目的。 （2） 先验知识。 （3） 试验数据和运行数据。
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3.2.2 模型简化
（1） 一个特别的性能是不是重要，在某些情况可能是清楚的，而在 另一些情况则可能需要从其物理意义上去理解和观察。
（2） 模型简化时，必须确定哪些非本质、次要的因素可以忽视，哪 些本质、主要方面的因素对于模型的精度有决定性作用。
图3-1编写程序进行仿真分析的一般步骤
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图3－2 应用通用软件进行仿真分析的一般步骤
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第二节 火炮与自动武器系统动力学模型建立 方法
3.2.1
一般来说，通常首先建立构件模型，确定构件质量、质心、转动惯量 等属性，然后确定构件之间的连接关系副，包括连接副的类型、位置 和方向等，最后确定构件的驱动，可以是输入载荷，也可以是规定的 运动轨迹，载荷包括载荷作用位置、大小、方向等，运动轨迹包括运 动的方向、大小等。
表3-3 自动机运动参数比较
后坐最大速度 后坐到位速度 复进开始速度
推弹时速度 复进到位速度 一个自动机循环时间
实验结果 8.9 3.9 1.8 3.2 3 82
仿真结果 8.74 3.5 1.5 2.8 2.2 80
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五、 仿真结果分析
模型验证成功之后，下一步进行仿真计算，这里分别对连发、单发和 保险三个状态进行了仿真。通过仿真计算，可以很清晰地得到自动机 的整个运动过程，图3－34所示为扣动扳机，击锤解脱的过程。
12
xm
（3－13）
（2） 强迫振动法。对武器部件或整体进行稳态强迫振动，可以用下
第三种方法是按照激振力与位移响应之间的相位差角计算出阻尼比。
2 • 2 1 1 2 3 0
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图3-15 实测加速度衰减振动波形
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3.3.2 模型载荷参数获取
在武器动力学模型中，载荷主要是指武器发射时所产生的各种压力和 阻力。这里主要介绍压力载荷参数的获取方法。
分为静力燃烧时期（A）、内弹道时期（B）和后效时期（C）三个 阶段，如图3－32所示。 在后效期内，火药燃气压力的变化规律，目前多采用布拉文的经验公 式来描述，即
p pkeAt
（3－26）
对于布拉文的经验公式，只要知道常系数A，膛内压力变化规律就为 已知。时间常系数A由下式确定
A
pk s
( 0.5)v0