某自动步枪击发机构参数化分析与优化设计.pdf

:./.某自动步枪击发机构参数化分析与优化设计贾陆阳景春温刘万川吴胜光李东昊(重庆建设工业(集团)有限责任公司重庆 )摘要:为了提高某自动步枪击发机构的可靠性根据击发机构工作原理归纳了影响击发机构性能的结构参数 以某自动步枪为研究对象应用动力学数值仿真技术建立击发机构模型对击发机构进行参数化分析与优化设计 通过改变击锤簧刚度、阻尼、预压力弹底与机头弹底窝平面间隙以及击针突出量等变量以底火变形能最小为优化目标建立了击发机构优化模型 数值算例结果表明优化后底火的变形能比优化前减小 验证了该方法的可行性关键词:自动步枪击发机构优化设计参数化分析底火变形能中图分类号:文献标识码:文章编号:()自动步枪在射击时通过击锤打击击针击针打击底火引起底火变形将能量传递给击发药击发药受到挤压引燃发射药 某型自动步枪采用击锤回转式击发机构击锤在复进簧的作用下作回转运动打击击针完成击发 击发机构的工作状况不仅影响武器工作的可靠性还对精度产生一定的影响 因此研究击发机构参数对击发能量、底火变形量的影响对提高武器工作的可靠性有重要意义在对机械式击发机构的研究中高岩对转管武器击发机构的机构可靠性与结构可靠性进行了仿真分析 葛藤等对第二发弹的击发机理和击发底火的力学过程进行了仿真研究 杨九州等对枪弹的击发过程进行了仿真分析 蔺月敬利用有限元法建立火炮击发机构的刚柔耦合模型并结合理论分析找到了击发机构的薄弱部位 王红梅等采用理论与有限元仿真相结合的方法对击发机构撞击过程中的击锤与击针进行能量分析计算了击锤与击针撞击时的能量损失在工程应用方面打下了基础对击发机构能量损失的研究有一定的参考价值 击发机构运动建模.基本假设为了研究击发机构击发过程基于击发工作原理做出如下假设:)击发机构运动可简化为 个自由度的刚体运动即随质心的 个平动和绕质心的 个转动)击发机构仿真过程中将弹壳、机头体设置固定不动)击锤与击针的碰撞为弹性碰撞.结构描述本文研究对象为某步枪的击发机构如图 所示由击锤、击锤簧、击针、机头和弹丸等组成击锤在击锤簧的作用下作回转运动以打击击针完成击发 击发机构在工作中击针撞击底火瞬间必须具有足够的动能 才能可靠地点燃底火图 击发机构工作示意图 根据击发机构的工作情况得到击发机构的拓扑关系如图 所示.击发机构运动分析在击发机构仿真中建立不同零件的相对坐标系通过坐标系描述不同零件之间的相对运动关系在击发机构中存在多个碰撞接触包括击收稿日期:作者简介:贾陆阳()女工程师硕士主要研究方向为发射动力学及仿真技术.年 月 机械设计与制造工程 .第 卷 第 期 .图 击发机构拓扑关系锤击针之间的碰撞接触、击针与底火之间的碰撞接触等 为了保证击发机构在建模过程中的准确性需要对击发机构中产生的碰撞接触进行分析在击锤簧的作用下击锤簧带动击锤做回转运动击锤与击针碰撞随着击针位移的增大底火的变形不断增大击针的能量转化为底火的变形能在射击过程中击针与底火的撞击速度太大击发机构会出现漏烟、击针断裂等故障撞击速度太小击发机构会出现不发火故障因此需要合理设计击发机构的各个结构参数.接触碰撞力模型)法向接触力模型击发机构在碰撞过程中两个零件之间的碰撞速度、材料参数、零件尺寸等因素对碰撞有很大影响 本文选择 接触力模型描述法向接触力:()式中:为两个零件之间的法向接触力 为两个零件碰撞时的刚度系数 为接触体的穿透深度为碰撞指数 为接触碰撞阻尼系数为接触点处的相对碰撞速度阻尼系数 可表示为:()()式中:一般取.为恢复系数取.为撞击点的初始相对速度)摩擦力模型击发机构工作过程中两个零件之间发生接触碰撞应考虑两个零件之间相对运动时产生的摩擦力零件之间的摩擦力对击锤、击针速度有很大影响 仿真过程中考虑摩擦力的影响一般采用修正的 摩擦模型 可以将两个零件之间产生的摩擦力准确地描述出来 切向摩擦力 可以表示为:()式中:为滑动摩擦系数为动态修正系数为相对切向速度动态修正系数 可以表示为:()式中:和 为计算动态校正系数而指定的速度值.击发能量分析)击锤簧的能量转化该步枪击发机构为击锤回转式打击击针击锤簧的弹性势能转化为击锤的动能能量转化过程为:()式中:为击锤回转轴的转动惯量为击锤质量为击锤回转半径 为击锤回转轴 至击锤质量替换点的距离击锤运动方程为:()式中:为扭簧的工作扭矩为扭转刚度为击锤某瞬时角加速度 为击锤某瞬时角速度 为击锤转动角度 为时间对击锤参数进行求解:()/(/)(/)/(/)(/)/()()/()/()/()式中:为 时刻的击锤转动角度为 时刻的击锤角速度 为步长)击锤的能量转化击针撞击底火壳能量有以下两种情况:年第 卷 机械设计与制造工程 击针与底火壳撞击击锤与击针碰撞后分离击针的动能转化为底火壳的变形能击发能量计算公式为:()()式中:为击锤与击针碰撞后速度 为碰撞牛顿恢复系数为击锤质量为击针质量为击锤碰撞前速度击针打底火时的能量 的计算公式为:/()击锤与击针撞击后结合击发能量 的计算公式为:()()()由武器撞击动力学可知碰撞后分离计算的底火壳能量小于碰撞后结合的底火壳能量 将两种情况下计算得到的底火壳能量与实际射击进行对比可知碰撞后结合比碰撞后分离更符合实际情况将击针撞击底火的能量转化为底火的变形能即击发机构的击发能量计算公式为:()式中:为击发机构的变形能即击发能量 为比例系数为击锤的初始动能 击发机构优化设计.击发机构设计参数击发机构在击发过程中击针与机头的碰撞、击锤与击针的碰撞、击针与弹壳的碰撞会影响击针能量的变化从而影响底火是否能够 击发 因此为了提高击发机构正常击发的可靠性应调整击发机构参数在保证底火能够 击发的条件下底火变形能最小击发机构在实际工作中由于工作环境不同会导致击发机构零件之间存在差异性因此每次击发时击发机构的初始条件都存在差异 考虑随机因素对其的影响将设计变量 分为非随机变化的 与随机变化的设计变量 根据击发机构动力学的相关理论影响击发机构的主要结构参数有击锤质量、击针质量、击锤簧刚度系数、击锤簧预压力、击锤簧阻尼、击针凸出量 其他结构参数如机头与击针的定位接触面等由于本身的取值变化并不大因此可直接确定将需要优化的参数记为设计变量 设计变量表示成向量的形式为:()非随机变化的设计变量 包括、表示成向量的形式为:()包括、表示成向量的形式为:().击发机构优化模型优化目标为底火壳变形能即目标参数为能够保证底火 击发时底火壳能的最小值并以此为目标函数 击发机构模型以击针撞击弹壳击针速度为 时为结束信号考虑参数随机性的击发机构优化问题可以表示为:()式中:为的均值为击发机构变形能为优化后的值 为衡量击发机构的约束指标、为非随机变量的下界和上界为 的标准差、为随机变量的下界和上界.优化算法及优化流程击发机构优化的基本思想如下:确定击发机构的设计变量并确定其设计变量范围根据优化算法依据设计变量范围与分布对其进行采样选取一组数据作为样本数据然后调用模型分别代入所采集的样本点数据进行计算 应用上述的采样方法在设计变量范围内循环取样进行下一组计算 击发机构进行优化分析时将优化流程分为全局优化与梯度优化 击发机构优化过程中根据数据参数产生随机样本量分析其规律 优化过程中产生随机值的组合并得到对应的目标值选取最优值所对应的随机点组合即为最优解 本文采用拉丁超立方试验设计的方法 提高计算效率优化流程如图 所示 算例分析基于上述分析和假设在 中建立某步枪击发机构动力学模型表所示为击发机构 年第 期 贾陆阳:某自动步枪击发机构参数化分析与优化设计图 击发机构优化流程图不确定性输入参数这些参数均服从正态分布表 击发机构不确定性输入参数击发机构结构参数名义值误差/././(/()././.将表 中的初始参数值(表中的名义值)代入击发机构动力学模型中进行仿真分析得到击锤角速度、击锤动能的变化情况击针动能的变化情况由图、图 可以看出击锤在击锤簧的作用下击锤的角速度与能量在逐渐增加当击锤打击击针后击锤与击针一起运动最后击针作用在底火上将击针的动能转化为底火的变形能 击锤打击击针后击针动能变化如图 所示 由于不确定参数的存在击发机构击针的能量也变为不确定参数因此需合理设计输入参数优化击发机构底火的变形能图 击锤角速度变化曲线图 击锤动能变化曲线图 击针动能变化曲线 在表 中的误差区间内对不确定输入参数进行采样选取 组数据作为采样点进行击发机构仿真计算 通过优化分析得到章节.中的目标函数在优化迭代中的变化如图 所示 从图 可知仿真采用不同的优化方法目标函数收敛的速度不同全局优化阶段目标函数收敛比较慢梯度优化阶段收敛比较快图 目标函数随优化迭代步数变化 该击发机构为击锤回转式击发机构 击发过程的实质是击锤撞击击针击针撞击底火底火壳发生变形本文提出用底火壳的变形能计算击发能量分析仿真计算结果可知击发机构的底火能在优化后减小优化后的底火能比优化前降低了 并且 年第 卷 机械设计与制造工程 能够保证击发机构 击发图 所示为底火能优化前后的变形能曲线对比说明击发机构的结构优化对击发性能的提高有明显效果图 优化前后变形能曲线 结论本文阐述了击发机构的工作原理将击发机构中的变量分为非随机变化与随机变化的设计变量在此基础上建立了某自动步枪击发机构动力学模型与优化模型 采用全局与梯度优化组合算法对击发机构进行优化 得到如下主要结论:)将底火变形能作为优化目标函数优化设计更符合实际情况)所提的优化方法能有效用于发射机构的优化设计为击发机构的设计提供了一种可靠方法参考文献:步兵自动武器及弹药设计编写组.步兵自动武器及弹药设计手册.北京:国防工业出版社.高岩.转管武器击发机构可靠性分析与仿真研究.太原:中北大学.葛藤贾智宏周克栋.某型自动步枪击发机构击发过程分析研究.弹道学报():.杨九州舒露谢兰川.基于 软件的枪弹击发过程仿真分析.兵器装备工程学报():.蔺月敬.基于刚柔耦合的典型击发机构机理分析.南京:南京理工大学.王红梅杨卫刘俊.击发机构内碰撞能量损失的有限元分析.计算机仿真():.陈光宋.弹炮耦合系统动力学及关键参数识别研究.南京:南京理工大学.():.刘太素钱林方陈光宋等.某输弹机开式链传动建模及动力学特性分析.兵工学报():.刘太素钱林方陈光宋.火炮输药机构小射角输药到位一致性稳健优化设计.兵工学报():.林通钱林方陈光宋等.面向输弹一致性的某输弹机稳健优化设计研究.兵工学报():.张瑞军邱继伟王晓伟等.基于多目标非耦合优化策略的可靠性稳健优化设计.中国机械工程():.王宇.基于不确定性的优化方法及其在飞机设计中的应用.南京:南京航空航天大学:.():.蒯腾飞林昌航杨春浩等.基于拉丁超立方试验设计的滑动适配器刚度优化.兵器装备工程学报():.():.蒲辉.某枪械击发动力学特性的影响因素研究.太原:中北大学.().):.:年第 期 贾陆阳:某自动步枪击发机构参数化分析与优化设计