王 力，楊 臻，鄧大建，昝博勛，蔡翹楚

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.駐重慶地區(qū)第五軍代室， 重慶 400054；3.中國人民解放軍第5702工廠， 陜西 咸陽 712201； 4.中國兵器工業(yè)第二〇八研究所， 北京 102202)

步槍、機槍、狙擊步槍是輕武器裝備體系中的重要骨干武器，提高其射擊精度一直是世界各國的研究重點。近年來，隨著我國對外交流的加深，對西方高精度武器在城市作戰(zhàn)中發(fā)揮的特殊作用，以及在反劫持、反恐怖作戰(zhàn)中的精確打擊效果有了清晰認識，針對我國槍械實現(xiàn)高精度發(fā)射開展了相關(guān)研究。

提高輕武器的射擊精度是一個復雜的系統(tǒng)工程，影響因素非常多，涉及到理論基礎(chǔ)、檢測試驗基礎(chǔ)、制造水平等等，其中高精度步槍系統(tǒng)槍械動力匹配技術(shù)、高精度步槍系統(tǒng)槍械人機工效技術(shù)、高精度步槍系統(tǒng)設(shè)計理論和設(shè)計規(guī)范等是研制高精度步槍和高精度狙擊步槍的基礎(chǔ)，我國目前尚未掌握相關(guān)知識和技術(shù)，導致高精度步槍和狙擊步槍設(shè)計的盲目性較大[1-5]。

步槍、機槍、狙擊步槍等槍械的精度水平在實際作戰(zhàn)中的效能發(fā)揮最終是由射手完成和體現(xiàn)，與射手操控有關(guān)的任何誤差因素都會極大影響到射擊結(jié)果。步槍在使用中多采用抵肩射擊姿勢，根據(jù)作戰(zhàn)時的具體情況可取立姿無依托、跪姿無依托、臥姿有依托等多種形式。其中立姿無依托是實戰(zhàn)中采用較多的姿勢，該姿勢便于在行進中射擊，有利于把握作戰(zhàn)時機，但相對于其他幾種射擊姿勢而言，射擊時的穩(wěn)定性較難控制，人槍系統(tǒng)中人的特性對于步槍的射擊精度有極大的影響[6-8]。

現(xiàn)有的針對射擊精度的仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計重點考慮槍和彈的因素，而忽略了人體因素的影響，并缺乏精準高效的優(yōu)化設(shè)計。所以，從人槍系統(tǒng)的角度出發(fā)，尋求一種多參數(shù)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法，對提高武器的射擊精度和人機工效具有重要意義。

1 ISIGHT多參數(shù)優(yōu)化理論

ISIGHT是美國Engineous公司出品的過程集成、優(yōu)化設(shè)計和穩(wěn)健性設(shè)計軟件，可以將數(shù)字技術(shù)、推理技術(shù)和設(shè)計探索技術(shù)有效融合，并把大量的需要人工完成的工作由軟件實現(xiàn)自動化處理，從而代替工程設(shè)計人員進行重復性的、易出錯的數(shù)字處理和設(shè)計處理工作，該軟件可以集成仿真代碼并提供智能設(shè)計支持，從而對多個設(shè)計可選方案進行評估研究，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期[9]，故本文基于ISIGHT對人槍系統(tǒng)進行多參數(shù)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。

對于現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計而言，設(shè)計變量、目標函數(shù)和約束條件是優(yōu)化問題數(shù)學模型的3個基本要素，大部分的優(yōu)化問題的就是通過修改設(shè)計變量求解目標函數(shù)的極值問題，因此在建立數(shù)學模型時，一般將目標函數(shù)的求解表示為求極大或極小值。設(shè)優(yōu)化設(shè)計模型共含有維設(shè)計變量，個等式約束條件，個不等式約束條件，其數(shù)學模型為

式中：X為設(shè)計變量組成的維向量；f(X)為目標函數(shù)；hl(X)=0是第l個等式約束條件；gm(X)≤0是第m個不等式約束條件；Xmin、Xmax—設(shè)計變量的邊界向量。

ISIGHT集成功能強大，可以集成多種大型通用有限元軟件及計算機輔助設(shè)計軟件，集成優(yōu)化過程如圖1所示。

圖1 ISIGHT集成優(yōu)化過程框圖

利用ISIGHT優(yōu)化平臺便捷的集成方法，綜合考慮人槍系統(tǒng)在射擊過程中各個影響因素，建立了以抵肩部位所受載荷和槍口垂直角位移為目標函數(shù)，以導氣孔直徑、氣室初始容積、活塞直徑、復進簧剛度、擊錘簧剛度、槍機框質(zhì)量為設(shè)計變量，融合ADAMS和MATLAB與一體的優(yōu)化分析系統(tǒng)[10-11]。如圖2所示。

圖2 人槍系統(tǒng)多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)集成

該系統(tǒng)通過自適應模擬退火算法(ASA)循環(huán)計算，無需人工修改仿真模型即可得出最優(yōu)設(shè)計變量，達到對目標函數(shù)的最大優(yōu)化的同時，可有效減少人力成本和時間成本。

2 人槍系統(tǒng)虛擬樣機的建立

在進行人槍系統(tǒng)多參數(shù)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計時，需要建立剛?cè)狁詈系娜藰屜到y(tǒng)虛擬樣機。

依照立姿射擊時人體的姿態(tài)[12-14]，確立人體各部分具體姿勢、裝配關(guān)系和約束關(guān)系，利用UG建立的人槍系統(tǒng)組成，如圖3所示，三維模型，如圖4所示。各球節(jié)的質(zhì)量與各坐標軸的轉(zhuǎn)動慣量的具體數(shù)據(jù)見表1。

圖3 人槍系統(tǒng)組成框圖

1.頭頸；2.胸部組件；3.抵肩組件；4.手部組件；5.上肢體組件；6.軀干連接組件；7.腰部組件；8.臀部組件；9.下體組件

圖4 人槍系統(tǒng)三維模型示意圖

將三維模型導入ADAMS動力學仿真軟件中，結(jié)合ANSYS 對人體軀干部分進行柔性化，建立5個運動自由度的立姿抵肩無依托人槍系統(tǒng)模型，主要為武器沿肩部轉(zhuǎn)軸的上揚運動、武器沿肩部轉(zhuǎn)軸的左右偏轉(zhuǎn)運動、上軀干系統(tǒng)沿下軀干系統(tǒng)的左右扭轉(zhuǎn)運動、上軀干系統(tǒng)沿下軀干系統(tǒng)的前后俯仰運動以及上、下軀干系統(tǒng)沿髖部的側(cè)向收展運動，為此需要添加相應的運動副，如表2、表3所示。

表2 人體關(guān)鍵部件之間的約束關(guān)系

表3 人體其他部位之間的約束關(guān)系

建立彈簧阻尼系統(tǒng)來模擬標準射手的肌肉對上軀干、下軀干、2個手臂等運動的約束作用，作用于模擬人槍系統(tǒng)中的5個主要運動自由度，其具體參數(shù)如表4所示。

火藥氣體作用力是人槍系統(tǒng)中的主要載荷，本文所考慮的火藥氣體作用力主要包括：膛內(nèi)火藥氣體作用于槍身上的作用力和導氣室內(nèi)的火藥氣體作用于自動機上的作用力。

根據(jù)武器射擊時膛內(nèi)火藥燃氣壓力的變化特點，可將火藥燃氣壓力作用的全過程分為靜力燃燒時期、內(nèi)彈道時期和后效期3個時間段本文主要考慮內(nèi)彈道時期和后效期2個時間端的人槍系統(tǒng)運動特性。

表4 人體各彈簧阻尼系統(tǒng)參數(shù)

氣室內(nèi)火藥燃氣壓力的變化規(guī)律與膛內(nèi)火藥燃氣壓力的變化規(guī)律有關(guān)，也與導氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)；后者包括導氣孔在槍管上的位置、導氣孔的橫斷面面積、導氣管道的長度、氣室初始容積、氣室壁與活塞間間隙的大小、活塞橫斷面面積和活塞及與其聯(lián)接的槍機框等零件的質(zhì)量等，對于導氣式武器，目前采用較多的是勃拉文的經(jīng)驗公式：

導氣室內(nèi)火藥燃氣對活塞作用力FS以及對導氣室前壁作用力F′分別為

Fs=SsPs

其中：ps為氣室壓力；pd為彈丸經(jīng)過導氣孔瞬間的膛內(nèi)平均壓力；e為自然對數(shù)的底數(shù)t為導氣室壓力工作時間；b為與膛內(nèi)壓力沖量有關(guān)的時間系數(shù)；α為與導氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；Fs為導氣室火藥燃氣作用力；Ss為導氣室活塞面積；ηs為導氣室沖量效率；i0為膛內(nèi)壓力的單位全沖量。

利用ADAMS進行動力學仿真分析時，導氣室壓力和膛底壓力無法直接加載到人槍系統(tǒng)虛擬樣機上。故根據(jù)導氣室自動步槍的運動特性，可將兩者分別轉(zhuǎn)化成施加在活塞桿前端面上的力和槍機彈底窩鏡面上的膛底合力，其中作用于活塞桿上的力，簡化為氣室壓力乘以活塞桿前端面面積。利用MATLAB計算所得的膛底合力曲線和導氣活塞桿的受力曲線如圖5所示。

完成后剛?cè)狁詈系娜藰屜到y(tǒng)虛擬樣機如圖6所示。

圖5 加載的載荷曲線

3 優(yōu)化過程及優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 確定設(shè)計變量和目標約束條件

在建立剛?cè)狁詈系娜藰屜到y(tǒng)虛擬樣機后，需要確定設(shè)計變量和目標約束條件，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化前通過最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計方法對槍管結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了靈敏度分析，根據(jù)靈敏度分析的結(jié)果，本文選取復進簧剛度(DV_1)、擊錘簧剛度(DV_2)、槍機框質(zhì)量(DV_3)、導氣孔直徑(d_d)、氣室初始容積(V_0s)和活塞桿直徑(d_h)為設(shè)計變量，槍口垂直角位移(DF_Angle)、活塞桿受力(fs1)和抵肩部位受力(DF_2)為目標函數(shù)。

其中，復進簧剛度(DV_1)、擊錘簧剛度(DV_2)和槍機框質(zhì)量(DV_3)的取值范圍在保證不超過后坐性能指標和自動機循環(huán)時間允許值得前體下進行選取。導氣孔直徑(d_d)、氣室初始容積(V_0s)和活塞桿直徑(d_h)的取值范圍在保證不影響彈丸初速和后坐性能指標允許的條件下進行選擇。

設(shè)計變量及其取值范圍如表5所示，目標函數(shù)及其約束條件和表6所示。

表5 設(shè)計變量及其取值范圍

表6 目標函數(shù)及其約束條件

3.2 建立優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)學模型

人槍系統(tǒng)問題屬于高度非線性問題，并把全局目標作為主要工作，自適應模擬退火算法(ASA)非常適用，這種算法能以最小成本獲得優(yōu)化設(shè)計的最優(yōu)解，并自動地辨認識別不同局部最優(yōu)解[15-16]，數(shù)學模型如下：Min f(fs1，DF_2，DF_Angle)，0.18≤d_d≤0.22，1.15≤d_h≤1.32，1.18≤V_0s≤1.408，0.189≤DV_1≤0.232，0.153≤DV_2≤0.187，0.177≤DV_3≤0.226。

3.3 ISIGHT參數(shù)設(shè)置

在Optimization模塊中設(shè)置設(shè)計變量的約束范圍及優(yōu)化算法的相關(guān)參數(shù)，如前文表1和表2所示。選擇ASA算法作為優(yōu)化求解的基本方法，優(yōu)化算法參數(shù)如表7所示。

表7 參數(shù)設(shè)置

3.4 優(yōu)化結(jié)果分析

經(jīng)過優(yōu)化系統(tǒng)計算得出最優(yōu)設(shè)計方案的結(jié)果如表8所示。

表8 優(yōu)化前后結(jié)果對比

從表8中可知通過設(shè)計變量優(yōu)化，活塞桿受的最大力值降低了1.3%，彈丸出膛口時的槍口角位移降低了6.7%，抵肩部位受的最大力值降低了8.5%?；钊麠U受力的降低，有利于減小自動機的初始能量，使其后坐到位時對抵肩部位的沖擊載荷減小。抵肩部位的受力減小，有利于降低人槍系統(tǒng)振動特性，從而提高步槍連發(fā)射擊精度。

3.5 優(yōu)化結(jié)果驗證

為了驗證該優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果，分別對3個目標進行了驗證。在ADAMS和Matlab中分別按照原始設(shè)計變量及優(yōu)化設(shè)計變量導入虛擬樣機和程序，然后對每一對優(yōu)化模型與原始模型在保證約束施加、載荷施加、材料參數(shù)定義等均一致的前提下，進行動力學仿真分析。其仿真結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 活塞桿受力曲線

圖8 槍機框位移曲線

圖9 槍口垂直角位移曲線

圖10 抵肩部位受力曲線

由圖7～圖10可知，導氣室壓力對活塞桿的作用時間基本不變，活塞桿所受的最大力降為5 038 N，且自動機的速度略有減小，彈丸在出膛口時的槍口垂直角位移降為1.823°，抵肩部位所受的最大力降為236 N，其結(jié)果符合優(yōu)化預期。

4 結(jié)論

本文基于ISIGHT建立了人槍系統(tǒng)多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計模型通過集成ADAMS和Matlab軟件進行并行優(yōu)化設(shè)計，利用自適應模擬退火算法(ASA)算法求解，得到了設(shè)計變量的優(yōu)化值，并對優(yōu)化結(jié)果進行了仿真驗證，驗證結(jié)果表明：

優(yōu)化后活塞桿所受的最大力下降1.3%，彈丸在出膛口時的槍口垂直角位移減少6.7%，抵肩部位所受的最大力也下降12.26%，提高了步槍的連發(fā)射擊精度。

采用此優(yōu)化設(shè)計方法，可同時對多個設(shè)計變量進行多目標優(yōu)化，且優(yōu)化效率較高，質(zhì)量較好，達到了提高射擊精度的目的，為武器系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了技術(shù)途徑和參考價值，同時對其他工程優(yōu)化設(shè)計也具有應用價值。