武器动力学仿真

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1、第一章概述§1.1火炮与自动武器发射过程火炮是指利用火药在管形内膛燃烧形成燃气压力来发射弹丸的一种射击武器。火炮的发射过程如下：弹丸与火药被装入具有一定仰角的炮管内，经击发，火药燃烧，瞬时产生大量高温、高压的燃气推动弹丸沿炮管运动，弹丸运动到炮口时获得巨大的动能而飞向目标；同时，火药燃气也推动炮管向弹丸行进的反方向运动。发射过程所需要的时间很短，常以千分之几秒计，但是，组成发射过程的各环节却是严格按次序进行的。炮弹被装入炮膛，弹丸的弹带与膛线的起始紧贴，药筒底缘抵住炮管后端面，并被炮闩牢固地闭锁。发射的具体过程可以依次进行：击针击发→引燃底

2、火药→点火药燃烧并传火→发射药燃烧→膛内燃气压力逐渐升高→弹丸的弹带嵌入膛线→燃气压力作功→弹丸运动至炮口处获得一定的速度→身管后座→炮管在复进机的作用下回复到发射前的位置→打开炮闩→抽出炮筒。自动武器是指在一发弹射击之后能自动完成重新装填和发射下一发弹的全部动作的火炮和枪械。自动武器是一种特殊的热力机械，它借助火药燃烧产生的高温、高压气体作功，推动弹头及其它动力装置，完成一定功能。根据发射的自动化程度，自动武器有全自动、半自动之分。能连续发射的为全自动武器，只能单发发射的为半自动武器。按自动方式来分，自动武器可分为3类：（1）身管后坐式：

3、利用发射时身管所获得的后坐运动能量进行工作的武器。（2）导气式：利用身管侧孔导出的部分膛内火药燃气能量推动自动机原动件进行工作的武器。（3）枪机后坐式：利用枪机的后坐能量进行工作的武器。这种自动方式在火炮中已很少采用，在枪械中应用较多。这里以某导气式自动武器为例，介绍自动机工作过程。发射时，扣动扳机，弹头发射，当弹头通过身管上一侧孔后，部分高温高压火药气体从枪管侧孔排出，推动活塞、枪机框向后运动。其分解动作如下：1（1）击发：扣压扳机，击锤转动打击击针，击针打击底火。（2）开锁：枪机框后退少许后，带动枪机转动；（3）后坐：枪机框带动枪机一起

4、后退；（4）退壳：枪机后退时，抽出膛内弹壳，并抛出武器之外；（5）复进：枪机框后退时，压缩复进簧，然后在簧力作用下枪机框向前运动；（6）进弹：枪机在复进中推弹入膛；（7）闭锁：枪机复进到位后，枪机框迫使枪机转动重新与枪管联接；每发射一发枪弹，都要经过上述动作过程。上述七个动作称为自动武器的循环动作。并非所有自动武器的自动工作程序都包括上述工步。有的武器不需要开锁、闭锁，有的则没有解脱击锤（或击针）动作；另外，自动武器分为内能源式和外能源式，所以并非所有的武器的全部工作步骤都由自动机主动件利用火药燃气能量来完成，外能源式自动武器由外部辅助能源

5、来完成。例如，有不少步兵轻武器用弹簧势能来输弹；而在某些航空用炮和舰载炮则用电机作辅助能源驱动输弹机构，甚至重新击发也用外部电源来点火。火炮与自动武器发射过程具有如下特点：（1）受到高温、高压及强动载作用火药在身管内燃烧时的爆燃温度一般可达3000~4000K，膛内最大压力一般在280Mpa~800Mpa之间，内弹道时期和后效期时间延续只有几毫秒~几十毫秒，高温、高压瞬变的膛内压力在作用于弹丸的同时，作用于膛底，使武器后座，振动与跳动。（2）系统复杂、工作环境恶劣现代火炮由身管、膛口装置、反后座装置、高低机、方向机、输弹机、平衡机及车体等部

6、分组成，是一个复杂的机械系统，而且是在酷暑严寒，雷雨风沙等各种环境和复杂地形条件下工作的，同时地面土壤等非线性边界条件及自身的间隙、大位移等非线性因素也使火炮动力学问题非常复杂。自动武器系统除了包括后座部分和座架等部件外，还包括大位移运动的自动机，在工作时常常需要考虑人-枪-土壤边界所组成的系统，其动力学问题也很复杂。（3）多体接触、多构件撞击特性火炮与自动武器的自动机工作过程中，存在着多体接触和多构件撞击等复杂现象。2自动机主动件在工作中所受的力较复杂，有随时间变化的、带脉冲性质的火药燃气压力和由零件间撞击产生的冲击力，有随零件位移变化的

7、弹簧力，有时还有由这些力产生的摩擦力等。自动机的所有机构都分别依序高速运动，完成其工作，各机构工作的时机和行程各不同，机构在起动、停止或改变运动方向时，主要零件间要发生剧烈撞击，这是武器自动机的显著特性。§1.2火炮与自动武器动力学的分析方法火炮与自动武器动力学是一门理论性和工程性极强的应用学科。传统的火炮与自动武器动力学分析采用经典力学方法，利用替换质量、传动比和传动效率等概念来对机构进行动力学分析，这种方法可获得武器的一些宏观动力学特性。但存在如下缺点：（1）由于模型的大量简化，武器的许多重要特性无法得到较精确的定量分析，特别是武器内部

8、复杂机构之间的作用和人-机-环系统的相互作用无法精确描述；（2）利用经典力学方法不能给出一个通用的动力学模型，结构类型不同或结构稍有改变时，就必须重新建模；（3）经典力学方程表述