化斌斌，王瑞林，王宇建，孫也尊，李心強(qiáng)

（1.軍械工程學(xué)院火炮工程系，河北石家莊 050003；2.總裝備部輕武器論證研究所，北京 102202；3.駐247廠軍事代表室，山西太原 030009；4.73121部隊，福建福州 350000）

轉(zhuǎn)管機(jī)槍槍膛合力在虛擬樣機(jī)中的施加方法研究

化斌斌1，王瑞林1，王宇建2，孫也尊3，李心強(qiáng)4

（1.軍械工程學(xué)院火炮工程系，河北石家莊 050003；2.總裝備部輕武器論證研究所，北京 102202；3.駐247廠軍事代表室，山西太原 030009；4.73121部隊，福建福州 350000）

根據(jù)轉(zhuǎn)管武器的工作原理和運(yùn)動特點，在建立轉(zhuǎn)管機(jī)槍虛擬樣機(jī)模型的過程中，綜合運(yùn)用ADAMS中的函數(shù)以及傳感器功能，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)管機(jī)槍不同射擊條件下槍膛合力的準(zhǔn)確施加。該方法具有通用性，對外能源轉(zhuǎn)管武器與內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器都適用。仿真結(jié)果表明，該方法的應(yīng)用使轉(zhuǎn)管武器更符合實際運(yùn)動情況。

轉(zhuǎn)管武器；槍膛合力；虛擬樣機(jī)

轉(zhuǎn)管武器按照自動工作原理一般有外能源轉(zhuǎn)管武器和內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器兩種［1］。外能源武器自動機(jī)主要依靠外部供能裝置提供啟發(fā)動力［2］；內(nèi)能源自動機(jī)依靠槍彈擊發(fā)后產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)饽芰縼韼幼詣訖C(jī)完成循環(huán)工作動作［3］。轉(zhuǎn)管武器的主動力主要是炮（槍）膛合力，而且作用特點是在固定點順序擊發(fā)［4］。在利用虛擬樣機(jī)對轉(zhuǎn)管武器進(jìn)行動力學(xué)分析時，炮（槍）膛合力的施加是模型一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)管武器的炮（槍）膛合力在ADAMS中施加，已經(jīng)有相關(guān)文獻(xiàn)研究過，但是文獻(xiàn)［5- 6］中所提出的方法具有一定的局限性，只適用于轉(zhuǎn)速為定值的外能源轉(zhuǎn)管武器，而內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器在射擊過程中身管組件的旋轉(zhuǎn)速度是一直在變化的，文獻(xiàn)中所提出的方法并不適用。因此，筆者以某三管內(nèi)能源轉(zhuǎn)管機(jī)槍為例，提出一種通用的轉(zhuǎn)管武器炮（槍）膛合力的施加方法，使得轉(zhuǎn)管武器炮（槍）膛合力的施加更加簡便且更符合實際。

1 槍膛合力的計算與處理

根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道方程組［7］，利用龍格-庫塔法可求解出內(nèi)彈道時期的平均膛壓隨時間的變化曲線；后效期的平均膛壓也可通過經(jīng)驗公式［8］求解得到。由此可得出彈丸整個運(yùn)動過程中的膛內(nèi)平均壓強(qiáng)p，則膛底壓強(qiáng)為

式中：ω為槍彈的裝藥量；φ1為次要功計算系數(shù)；q為彈頭質(zhì)量；p為平均膛壓。

槍膛合力Ft計算公式為

式中，S為膛底橫截面積。

經(jīng)計算，得到的某三管轉(zhuǎn)管機(jī)槍的槍膛合力如圖1所示。

將計算得到的槍膛合力數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ADAMS中，生成Spline曲線，命名為SPLINE_1。

2 槍膛合力的施加

轉(zhuǎn)管武器是在固定位置（擊發(fā)點）擊發(fā)，根據(jù)轉(zhuǎn)管武器的運(yùn)動特點，一般有兩種方法可以用來標(biāo)定擊發(fā)時機(jī)：一是身管在運(yùn)動過程中轉(zhuǎn)動的角度；二是機(jī)心部件在曲線槽作用下的軸向位移。相比較而言，后者判斷起來要稍復(fù)雜些，因為每一個身管在轉(zhuǎn)動一圈的過程中，機(jī)心部件在身管軸向上的位移會有兩次與到達(dá)擊發(fā)點的位移相等，因此還需要再另外增加判定條件。而前者就簡單多了，只需要判斷身管軸心經(jīng)過擊發(fā)點，即為擊發(fā)時刻。

如圖2所示，在與身管固連的節(jié)套上建立3個點為MARKER_1、MARKER_2、MARKER_3（分別對應(yīng)圖中O1、O2、O3），使3個MARKER點分別在3根槍管的膛底圓心上，在外機(jī)匣上對應(yīng)擊發(fā)位置建立1個點MARKER_JF（對應(yīng)圖中OJF），槍管組的截面圓心標(biāo)記為MARKER_0點。

首先測出∠O1OOJF的大小α，即為身管1第1次擊發(fā)時所轉(zhuǎn)動的角度，則身管2、3第1次擊發(fā)時所轉(zhuǎn)過的角度分別為α+120°、α+240°。然后利用傳感器（SENSOR）、MOD函數(shù)、AZ函數(shù)［9］即可監(jiān)測槍管擊發(fā)時刻。

MOD（x1，x2）：返回x1／x2的余數(shù)。

AZ（MARKER_1，MARKER_2）：實時返回MARKER_1相對于MARKER_2的z軸旋轉(zhuǎn)的角度（弧度）。

建立槍管1擊發(fā)傳感器SENSOR_1，如圖3所示，具體設(shè)置為在圖3中（a）、（b）和（c）的對話框中分別寫入SENSOR觸發(fā)的表達(dá)式、SENSOR返回的值以及SENSOR的觸發(fā)值如下所示：

（a）－MOD（AZ（MARKER_1，MARKER_ 0），2*pi）*180／pi；

（b）time；

（c）α。

傳感器SENSOR_1的設(shè)定為每當(dāng)槍管1的軸心經(jīng)過擊發(fā)位置時，返回此時的時間，槍管2、3的傳感器方法設(shè)置同槍管1。

最后在對應(yīng)槍管1的機(jī)頭體上施加一單向力SFORCE_1，即為槍管1的槍膛合力，此時需要用到SIGN函數(shù)、SENVAL函數(shù)、IF函數(shù)和AKISPL函數(shù)［9］即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)管武器槍膛合力的施加。

如果x2≥0，SIGN（x1，x2）=ABS（x1）；如果x2＜0，SIGN（x1，x2）=－ABS（x1）。

SENVAL（SENSOR_1）：返回SENSOR_1的值。

IF（x：x1，x2，x3）：當(dāng)x＜0時，返回x1值；當(dāng)x=0時，返回x2值；當(dāng)x＞0時，返回x3值。

AKISPL（x1，x2，spline name，derivative order）：x1為第1個自變量；x2為第2個自變量，設(shè)為0；spline name是所使用樣條曲線；derivative order表示微分的階次，取0時返回樣條曲線的坐標(biāo)值。

SFORCE_1定義為：

－0.5*（sign（1，－SENVAL（SENSOR_1））－1）* IF（time－SENVAL（SENSOR_1）：0，0，IF（time－SENVAL（SENSOR_1）－th：AKISPL（time－SENVAL（SENSOR_1），0，SPLINE_1，0），0，0））（3）式中：th為后效期結(jié)束時間。

－0.5*（sign（1，－SENVAL（SENSOR_1））－1）為附加因子，這是由于SENSOR是通過SENVAL值的突變來實現(xiàn)控制載荷施加的，在系統(tǒng)開始求解瞬間SENVAL的輸出從無到有，雖然輸出值為0，但ADAMS即認(rèn)為SENSOR觸發(fā)，這樣造成槍膛合力從計算一開始就被施加了，顯然不符合實際情況，而附加因子就很好地解決了這個問題。

SFORCE_1的含義為：從SENSOR_1觸發(fā)到后效期結(jié)束，機(jī)頭體受到槍膛合力作用，后效期結(jié)束后，槍膛合力為0。

另外，內(nèi)能源轉(zhuǎn)管機(jī)槍的主動力還有氣室壓力，其實現(xiàn)方法同槍膛合力，在此不再贅述。

3 槍膛合力仿真結(jié)果

根據(jù)上文中槍膛合力的施加方法，在ADAMS中對某型三管內(nèi)能源轉(zhuǎn)管機(jī)槍進(jìn)行了仿真計算，建立的虛擬樣機(jī)模型如圖4所示，得到的各槍管槍膛合力曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，前面3次擊發(fā)的時間間隔相較后面的擊發(fā)間隔要大一些，這是因為內(nèi)能源轉(zhuǎn)管機(jī)槍依靠火藥燃燒產(chǎn)生的氣室壓力推動自動機(jī)運(yùn)動，自動機(jī)的轉(zhuǎn)速是逐漸增大的，當(dāng)射頻達(dá)到穩(wěn)定后，擊發(fā)間隔才基本相等，這一點也說明了本文方法更加符合實際情況并具有通用性。

4 不同條件下的射擊載荷施加

考慮轉(zhuǎn)管武器不同射擊方式的應(yīng)用實際，對間隔射擊和延時射擊的載荷施加方法進(jìn)行了研究。

4.1 間隔射擊

間隔射擊即為間隔m發(fā)彈擊發(fā)，可采用下式進(jìn)行判定控制：

式中：L為槍管組旋轉(zhuǎn)圈數(shù)；K為轉(zhuǎn)管武器身管數(shù)；n為管序；m為間隔發(fā)數(shù)。如果Δ余數(shù)為0，則第n根身管擊發(fā)。

為實現(xiàn)這一方法，還需要用到ADAMS中的AINT函數(shù)。

AINT（x）：返回參數(shù)x向零取整的整數(shù)。

則間隔m發(fā)射擊時，第n根身管受力表達(dá)式為：

式（4）中，只需將式（3）中的SENSOR序列號與式（4）中的身管序列號對應(yīng)就可以。

4.2 延時射擊

轉(zhuǎn)管武器延時射擊，可以通過時間控制方法或者角度控制方法來實現(xiàn)。

時間控制方法可表述如下：

式中，t為延時時間。

式（5）中，如選用式（3）則為延時擊發(fā)后不采用間隔射擊；如選用式（4）則為延時擊發(fā)后再間隔射擊。

角度控制方法與時間控制方法原理相同，在此不再贅述。

5 結(jié)論

通過綜合利用ADAMS中的傳感器（SENSOR）和函數(shù)（MOD、AZ、SIGN、SENVAL、IF、AKISPL和AINT），提出了一種更加普遍適用的轉(zhuǎn)管武器主動力的施加方法，該方法對外能源轉(zhuǎn)管武器與內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器具有通用性。仿真結(jié)果表明，該方法能夠更加真實地體現(xiàn)轉(zhuǎn)管武器的實際運(yùn)動情況，為后續(xù)的轉(zhuǎn)管武器動力學(xué)特性研究奠定了基礎(chǔ)。

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Loading Method of Gatling Gun Breeeh Foree in Virtual Prototype

HUA Binbin1，WANG Ruilin1，WANG Yujian2，SUN Yezun3，LI Xinqiang4
（1.Department of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China；2.The Demonstration and Research Institute of Small Arms，Beijing 102202，China；3.Military Representative Office in the 247 Factory，Taiyuan 030009，Shanxi，China；4.The 73121 Troop of PLA，F(xiàn)uzhou 350000，F(xiàn)ujian，China）

Gatling gun；breech force；virtual prototype

TJ25

A

1673-6524（2015）04-0009-04

2014- 11- 11；

2015- 05- 17

化斌斌（1987－），男，博士研究生，主要從事武器結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論與應(yīng)用研究。E-mail：huabin1104＠163.com

Abstraet：According to the working theory and movement characteristics of Gatling gun，accurate application of breech force under different firing conditions was realized by using ADAMS functions and sensors comprehensively in the process of building virtual prototype model of Gatling gun.This method is current and is equally suitable for outer-energy Gatling gun and inner-energy Gatling gun.The simulation result indicates that the application of this method makes Gatling gun more compatible to the actual movement situation.