劉坤杰，周克棟，赫　雷

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094)

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基于ADAMS的某自動(dòng)機(jī)加速機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

劉坤杰，周克棟，赫雷

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

摘要：提出了一種自動(dòng)機(jī)加速機(jī)構(gòu)，用于自動(dòng)武器在研發(fā)過程中的非射擊系統(tǒng)聯(lián)調(diào)?；诙鄤傮w動(dòng)力學(xué)理論，運(yùn)用SolidWorks和ADAMS軟件聯(lián)合建立了虛擬樣機(jī)模型。采用ADAMS軟件作為仿真平臺(tái)，針對(duì)該加速機(jī)構(gòu)的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立仿真策略并進(jìn)行了仿真計(jì)算與分析，確定了主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，并獲得了自動(dòng)機(jī)的模擬加速曲線，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了該加速機(jī)構(gòu)的可行性與合理性。

關(guān)鍵詞：ADAMS; 動(dòng)力學(xué)仿真; 自動(dòng)機(jī);加速機(jī)構(gòu)

自動(dòng)機(jī)利用火藥燃?xì)饽芰客瓿勺詣?dòng)循環(huán)的方法和形式叫做自動(dòng)武器自動(dòng)方式，完成自動(dòng)動(dòng)作的方式是多樣的，主要分為槍機(jī)后坐式、槍管后坐式、導(dǎo)氣式與混合式[1]。以往，一種武器在生產(chǎn)定型之前必須要到靶場進(jìn)行實(shí)彈射擊試驗(yàn)，檢驗(yàn)其各項(xiàng)性能，大量重復(fù)的試驗(yàn)導(dǎo)致了低下的效率和較差的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)未定型的自動(dòng)武器進(jìn)行模擬試驗(yàn)，這樣就能夠大幅度減少實(shí)彈試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)[2]。模擬試驗(yàn)的方法很多，其試驗(yàn)效果有好有差，需要對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[3]。

本研究提出了一種新型自動(dòng)機(jī)加速機(jī)構(gòu)，用于在不進(jìn)行實(shí)彈射擊的情況下，由電動(dòng)機(jī)代替火藥燃?xì)怛?qū)動(dòng)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，將外動(dòng)力作用于自動(dòng)機(jī)[ 4]，使自動(dòng)機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定速度，完成開啟彈膛、退殼(模擬彈)、輸送槍彈(模擬彈)、送彈(模擬彈)進(jìn)膛、關(guān)閉彈膛等一系列循環(huán)動(dòng)作，模擬自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。

該機(jī)構(gòu)采用撞擊的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)的快速加速，利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS可以較方便地求解剛性體的碰撞問題[5]。采用傳統(tǒng)研究方法進(jìn)行論證研究成本高、難度大[6]。本研究以動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS作為仿真平臺(tái)[7]，將虛擬樣機(jī)技術(shù)運(yùn)用到該加速機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)研究中，建立了虛擬樣機(jī)模型，通過仿真計(jì)算確定了其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，得出了自動(dòng)機(jī)的模擬加速曲線，為該套系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

1自動(dòng)機(jī)加速機(jī)構(gòu)工作原理

自動(dòng)機(jī)加速機(jī)構(gòu)工作原理框圖如圖1，系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力源的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為所需的線性運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為撞擊模塊，撞擊模塊的原理如圖2所示。

撞擊模塊由滑塊、撞塊和緩沖簧組成，緩沖簧整體裝在滑塊內(nèi)，兩端分別與撞塊和滑塊接觸，撞塊右端用于撞擊拉機(jī)柄，撞塊與滑塊之間相對(duì)滑動(dòng)使緩沖簧壓縮，當(dāng)其壓縮量達(dá)到L后，滑塊與撞塊發(fā)生碰撞。

圖1　加速機(jī)構(gòu)總體方案框圖

圖2　撞擊模塊原理框圖

工作原理如下：

1) 第一次剛性碰撞：運(yùn)動(dòng)的撞塊與靜止的自動(dòng)機(jī)碰撞，使自動(dòng)機(jī)獲得一定的初速度，如圖2(a)所示；

2) 緩沖簧被壓縮過程：由于滑塊速度大于自動(dòng)機(jī)速度，緩沖簧被壓縮，自動(dòng)機(jī)在撞塊推力作用下繼續(xù)加速，且加速度逐漸增大；

3) 第二次剛性碰撞：當(dāng)緩沖簧達(dá)到最大壓縮量時(shí)，滑塊與撞塊發(fā)生碰撞，使自動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速，如圖2(b)所示；

4) 緩沖簧恢復(fù)原長過程：隨著滑塊速度的減小與自動(dòng)機(jī)速度的增大，最終滑塊速度會(huì)小于自動(dòng)機(jī)速度，因此緩沖簧有恢復(fù)原長的趨勢(shì)，由于緩沖簧力大于復(fù)進(jìn)簧力，所以自動(dòng)機(jī)會(huì)繼續(xù)加速，且加速度逐漸減小，直至與撞塊分離；

第2)、3)、4)階段中，撞塊與自動(dòng)機(jī)具有相同的速度。

2建立加速機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

2.1簡化模型的建立

用SolidWorks軟件建立加速機(jī)構(gòu)的三維模型，并作如下簡化：① 將自動(dòng)機(jī)組件視作一個(gè)整體，不考慮彼此間的相互運(yùn)動(dòng)；② 省略自動(dòng)機(jī)中不運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件。然后將其保存為Parasolid格式導(dǎo)入到ADAMS中，定義每個(gè)零件的名稱、材料密度、顏色等相關(guān)屬性。建模過程中，在考慮構(gòu)件之間運(yùn)動(dòng)及受力作用的前提下，遵循從簡到繁，由局部到整體的原則進(jìn)行分析[8]。

2.2添加約束和碰撞接觸

將三維模型導(dǎo)入ADAMS后，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各零件施加約束，在具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩構(gòu)件之間添加相應(yīng)運(yùn)動(dòng)副和接觸，該樣機(jī)中共含有15個(gè)剛體，10個(gè)固定副，3個(gè)旋轉(zhuǎn)副，3個(gè)移動(dòng)副，定義了4處碰撞，分別是撞塊與自動(dòng)機(jī)、撞塊與調(diào)節(jié)桿、自動(dòng)機(jī)與其兩側(cè)的擋塊，采用Impact函數(shù)[9]定義碰撞接觸。對(duì)于非旋轉(zhuǎn)體的碰撞，剛度系數(shù)可采用ADAMS的官方推薦值即默認(rèn)值進(jìn)行計(jì)算[4]。虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。

圖3　ADAMS虛擬樣機(jī)模型

2.3彈簧的定義

在導(dǎo)桿與調(diào)節(jié)桿之間定義緩沖簧，Stiffness Coefficient根據(jù)表1而定，Damping Coefficient設(shè)為0，Preload設(shè)為0，其他選擇默認(rèn)值。在自動(dòng)機(jī)與其右側(cè)的擋塊之間定義復(fù)進(jìn)簧，Stiffness Coefficient設(shè)為0.2262N/mm，Damping Coefficient設(shè)為0，Preload設(shè)為34.3 N，其他選擇默認(rèn)值。

2.4添加驅(qū)動(dòng)

在曲柄回轉(zhuǎn)中心添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，為避免轉(zhuǎn)速突變，驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為：step(time,0,0,0.002,6540d)+step(time,0.002,0,0.06,0)，其中，對(duì)于不同的緩沖簧剛度和壓縮量，6 540d(d表示(°)/s)不是一個(gè)定值，需在仿真過程中不斷調(diào)整ADAMS仿真與結(jié)果分析。

3仿真與分析

3.1機(jī)構(gòu)主要參數(shù)初選

該機(jī)構(gòu)中，緩沖簧剛度和最大壓縮量是影響撞擊效果的兩個(gè)重要參數(shù)，本文通過不斷改變這兩個(gè)參數(shù)，進(jìn)行大量的仿真進(jìn)行對(duì)比，從而確定最佳參數(shù)。緩沖簧剛度和壓縮量初選過程如下：

要求自動(dòng)機(jī)速度在不大于5 ms內(nèi)達(dá)到不小于9 m/s，并且撞塊與拉機(jī)柄之間的撞擊力盡量小，減少拉機(jī)柄的磨損。

假設(shè)為勻加速過程，則驅(qū)動(dòng)力：

其中：m自為自動(dòng)機(jī)質(zhì)量；m自=0.400 5 kg。

3.2動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與分析

對(duì)其剛度和壓縮量進(jìn)行分配并分別進(jìn)行仿真，在仿真過程中，由于L和k的變化，為保證自動(dòng)機(jī)最大速度為9m/s，每組仿真的曲柄轉(zhuǎn)速有所不同。導(dǎo)出自動(dòng)機(jī)速度及撞塊與自動(dòng)機(jī)之間的撞擊力數(shù)據(jù)(16組)并導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行分析處理，得到各自的最大撞擊力F和相應(yīng)的加速時(shí)間t，結(jié)果如表1所示。各撞擊力曲線如圖4所示。

表1　不同剛度和壓縮量時(shí)的最大撞擊力和

由表1可以看出：① 緩沖簧最大壓縮量越大，則自動(dòng)機(jī)加速時(shí)間越長，當(dāng)L≥8 mm時(shí)，自動(dòng)機(jī)加速時(shí)間逐漸接近直至超過5 ms；② 當(dāng)L=6 mm，k=140 N/mm時(shí)，撞擊力取得最小值27 705 N，此時(shí)自動(dòng)機(jī)加速時(shí)間為4.2 ms。

圖4中每條曲線的兩個(gè)尖峰分別代表兩次撞擊的撞擊力，對(duì)比16條曲線可以發(fā)現(xiàn)：①L不變時(shí)，隨著k的增大，第二次撞擊力逐漸減?。虎趉不變時(shí)，隨著L的增大，第二次撞擊力逐漸減小；③ 當(dāng)L=10 mm，k≥100 N/mm時(shí)，第二次撞擊消失；④ 雖然L=6 mm，k=140 N/mm時(shí)撞擊力最小，但第一、二次撞擊力的差值較大，這就造成其中一次撞擊力過大，而另一次作用甚微，導(dǎo)致自動(dòng)機(jī)加速時(shí)間和所受應(yīng)力增大。

拉機(jī)柄的直接驅(qū)動(dòng)力來自于剛性碰撞力和緩沖簧力，因?yàn)橐罄瓩C(jī)柄被撞擊后的速度是一定的，根據(jù)能量守恒定律可知，緩沖簧力(由k和L決定)的增大必然導(dǎo)致剛性碰撞力的減小，這就很好地解釋了圖4中撞擊力的變化。同時(shí)，由于緩沖簧力遠(yuǎn)小于剛性碰撞力，緩沖簧力作用時(shí)間越長會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)機(jī)加速時(shí)間越大，為保證自動(dòng)機(jī)加速時(shí)間小于5 ms，又需要降低k和L。因此，應(yīng)在L=6 mm，k=140 N/mm的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小L和k，重新分配彈簧剛度和壓縮量后，其剛度、壓縮量以及仿真結(jié)果如表2所示。

其中L=7 mm的仿真結(jié)果是為了對(duì)比分析。各撞擊力曲線如圖5所示。

由表2和圖5可以看出：當(dāng)L=5 mm，k=100 N/mm時(shí)，撞擊力最小為26 028 N，自動(dòng)機(jī)加速時(shí)間為3.7 ms，且第一、二次撞擊力大小相當(dāng)，滿足要求，該加速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是可行且合理的。

這種情況下，撞擊時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 540 °/s,即1 090 r/min，自動(dòng)機(jī)加速曲線如圖6所示，從其中可以明顯地看出其加速的4個(gè)過程。

表2　不同剛度和壓縮量時(shí)的最大撞擊力和

圖4　第一次分配的撞擊力曲線

圖5　第二次分配的撞擊力曲線

圖6　自動(dòng)機(jī)被撞擊后的加速曲線

3結(jié)論

運(yùn)用SolidWorks和ADAMS軟件聯(lián)合建立了某自動(dòng)機(jī)加速機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，針對(duì)該加速機(jī)構(gòu)的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立仿真策略并進(jìn)行了大量仿真計(jì)算，然后對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對(duì)比，確定了其最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，為該套系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯唐定國)

本文引用格式：劉坤杰，周克棟，赫雷.基于ADAMS的某自動(dòng)機(jī)加速機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(4):61-65.

Citation format:LIU Kun-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei.Dynamics Simulation of an Accelerating Mechanism of Automat Based on ADAMS [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):61-65.

Dynamics Simulation of an Accelerating Mechanism of Automat Based on ADAMS

LIU Kun-jie, ZHOU Ke-dong, HE Lei

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:An acceleration mechanism of automat was proposed for the joint debugging of system under non-shooting condition during the development process of automatic weapons. A virtual prototype model was established by SolidWorks and ADAMS software based on the theory of multi-rigid-body dynamics. Aiming at the working principle and structural characteristics of the acceleration mechanism, a simulation strategy was proposed and the simulation calculation and analysis were conducted with ADAMS software as the simulation platform. The main structural parameters and the motor speed were determined and the simulation acceleration curve of the automat was obtained. The expected design goal was achieved and the feasibility and rationality of the acceleration mechanism were validated.

Key words:ADAMS; dynamics simulation; automat；accelerating mechanism

文章編號(hào)：1006-0707(2016)04-0061-06

中圖分類號(hào)：TJ202

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.016

作者簡介：劉坤杰(1991—)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與仿真研究;周克棟(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程研究；赫雷(1973—)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事火炮、自動(dòng)武器與彈藥工程研究。

收稿日期：2015-10-11；修回日期：2015-11-11

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】