枪械是士兵的第二生命，其性能好坏是实现轻武器作战效能的根本，枪械研制一般需经过方案设计、初样机设计、正样机设计等步骤，该研制模式主要存在以下问题：枪械方案和技术指标的确定往往依赖于设计人员经验，缺乏理论依据和仿真数据支撑，产品设计中的缺陷往往是通过实弹射击试验时才发现。
随着仿真技术的发展，各行业逐步开始建立数字样机，通过计算机分析产品的功能性能，邵学辉研究导引头随动系统数字样机设计及实现方法[1]，方强研究了基于数字样机的舰船维修性设计分析技术[2]，郑党党研究飞机性能样机技术及体系[3]，教忠建[4]，张伟[5]，许红静[6]等研究了掘进机以及其他复杂产品的数字样机建模方法。枪械不同于上述大型装备，相关的功能性能仿真方法完全不同。本文通过建立枪械数字样机，针对枪械各性能进行全面系统的仿真分析，进行性能分析和方案优化，实现由基于仿研模式的经验设计、向基于正向研发的预测设计和预先验证转变，减少设计与试验轮次，缩短研制周期，降低研制成本，为提高枪械设计、论证水平提供强有力的技术支撑。
1 枪械数字样机总体设计
枪械数字样机是以几何样机为基础，基于仿真软件建立功能样机和性能样机，通过计算机表达、验证、优化枪械功能性能的的数字化模型。数字样机围绕设计方案的结构合理性、原理可行性、指标可达性、技术措施有效性等4个维度(图1)进行系统分析和评价，具体的评价内容如图2所示。
图1 枪械数字样机分析维度示意图
Fig.1 Dimensions of firearms digital prototype analysis
图2 枪械数字样机分析内容框图
Fig.2 Analysis contents of firearms digital prototype
功能分析主要包括机构运动分析和结构强度分析，以分析评价结构合理性和原理可行性；性能分析主要包括零部件疲劳寿命、射击精度、终点威力、人机工效分析等，用于分析指标可达性。
枪械数字样机首先以三维几何模型(UG构建)为基础，结合内外弹道参数，在此基础上基于Adams仿真软件建立全枪多体动力学模型，获得枪械自动机速度曲线、抛壳路线等主要特征数据，分析枪械动力学特性；基于Abaqus仿真软件建立关键零部件应力应变仿真模型，实现关键零部件强度分析，然后基于Designlife仿真软件进行疲劳寿命分析；威力性能分析包含杀伤威力和侵彻威力仿真分析，主要基于Dyna仿真软件分析弹头对明胶侵彻效应、弹头对钢靶(松木靶)侵彻效应；射击精度分析将自动机运动(Adams)、导气压力作用(Abaqus)、弹头挤进作用(Dyna)等仿真分析得出枪口跳动量、弹头攻角，然后融入随机内外弹道方程计算立靶散布；安全性分析主要使用Adams仿真软件进行全枪跌落仿真、保险机构仿真，分析跌落状态枪械发射机的安全性和待发状态保险机构的安全性；人机工效分析基于Adams仿真软件分析枪械后坐力、扳机力和装填力，基于Jack人因仿真软件分析枪械舒适度和可达性。最终达到分析评价疲劳寿命、射击精度、终点威力、人机工效、可靠性、安全性等具体性能参数的目的，枪械数字样机总体结构框图如图3。
图3 枪械数字样机总体结构框图
Fig.3 Overall structural frame of the firearms digital prototype
2 枪械功能样机建模及应用
枪械功能样机主要从多体动力学和结构力学两方面建模。系统功能分析主要基于Adams仿真软件分析枪械的供弹、抛壳、开闭锁、快慢机、空仓挂机等机构的功能是否能够实现，结构强度分析主要基于Abaqus仿真软件分析枪械零部件是否满足强度要求，二者均是分析枪械系统功能能否实现，有关分析内容如图4所示。
图4 全枪功能样机分析内容框图
Fig.4 Analysis content diagram of the function prototype of entire firearms
2.1 机构运动分析
机构运动分析包含全枪动力特性分析、机构运动分析、能量(力、动量、冲量等参数)分析等内容，全枪机构运动仿真模型如图5所示。全枪动力特性分析，包含平射、俯射、仰射状态自动机运动仿真，高低温状态自动机运动仿真等内容；机构运动分析，包含供弹、抛壳、空仓挂机、快慢机、保险机构等功能仿真内容。能量分析，包含自动机运动全过程能量分析、主要弹簧能量分析、击发能量分析等内容。
图5 全枪机构运动仿真模型图
Fig.5 Motion simulation model of mechanisms of entire firearms
2.2 结构强度分析
零部件结构强度分析包含闭锁强度分析(图6)、枪管强度分析(图7)，击发发射机构强度分析，抽壳/抛壳机构强度分析，空仓挂机机构强度分析等内容。
枪管强度分析包含枪管内膛及膛线强度分析；闭锁强度分析包含闭锁齿强度分析、枪管开闭锁凸台/凸榫强度分析、连接座强度分析等内容；击发发射机构强度分析包含击锤强度分析、击针强度分析、发射机盒强度分析、阻铁强度分析等内容；抽壳\抛壳机构强度分析包含拉壳钩强度分析、抛壳挺强度分析、拉壳钩销强度分析等内容。
图6 闭锁强度仿真分析云图
Fig.6 Simulation analysis of locking strength
图7 枪管强度分析云图
Fig.7 Barrel strength analysis
3 枪械性能样机建模
枪械性能样机在功能样机的基础上，面向零部件疲劳寿命、射击精度、终点威力、人机工效等具体性能，进一步研究形成具体的建模方法。全枪性能样机构建过程框图如图8。
3.1 疲劳寿命分析方法及应用
疲劳寿命仿真分析方案如图9所示，需要借助断口分析确定零部件受力工况，基于Abaqus软件仿真分析击锤的最大主应力/应变，然后利用Designlife软件进行疲劳寿命仿真，分析过程如图10所示，基于局部应变法建立枪械零部件冲击疲劳疲劳分析模型，形成基于断裂力学的裂纹萌生预测方法[7]。
图8 全枪性能样机构建过程框图
Fig.8 Construction framework of full gun performance prototype
图9 枪械零部件疲劳寿命仿真分析方案框图
Fig.9 Fatigue life simulation analysis scheme diagram of gun parts
图10 击锤疲劳寿命分析过程云图
Fig.10 Analysis process of hammer fatigue life
以某步枪击锤为例，寿命试验4 200发时原击锤断裂，为典型的低周疲劳问题。然后通过仿真预测改进击锤的疲劳寿命，结果为11 600次(改进击锤在寿命试验11 000发出现裂纹)。
3.2 终点威力(射击效力)分析方法及应用
威力性能(射击效力)分析主要基于Dyna软件仿真弹头对钢靶+松木靶侵彻效应，重点分析预测不同射击状态下弹头余速及靶板穿透情况。首先通过随机内弹道程序输出弹头初速及误差分布[8-9]，并输入到随机外弹道计算不同射角下规定射程处弹头的速度和落角，得到速度和落角及随机分布，并作为弹头侵彻钢靶+松木靶仿真模型的输入，经过仿真计算，结果直接输出弹头姿态、弹头速度变化曲线，统计靶板穿透情况，获得俯仰射状态下的穿透率，实现枪弹威力综合考核，如图11所示。
图11 枪械终点威力(射击效力)仿真分析方案框图
Fig.11 Simulation analysis scheme of gun terminal power (shooting effectiveness)
以某步枪为例，0.8°平射时，得到400 m处弹头速度、落角及随机分布，以最低速度和最大落角为输入，最终仿真得出靶板穿透率100%，图12、图13所示。
图12 某步枪弹外弹道计算结果界面
Fig.12 Calculation results of the external ballistic trajectory of a rifle bullet
图13 某步枪弹侵彻钢靶松木靶仿真效果图
Fig.13 Simulation effect of rifle bullet penetrating steel target and pine wood target
3.3 人机工效分析方法及应用
人机工效分析方案如图14所示，首先通过内弹道程序计算膛压，然后基于Adams仿真软件分析枪械后坐力、扳机力和装填力(图15)，并输入到人因分析模型，即基于Jack人因分析软件中的人体数据库，开展人体枪械人机工效几何建模、运动建模研究。
图14 人机工效仿真分析方案框图
Fig.14 Man-machine ergonomics simulation analysis scheme
图15 扳机力仿真分析图
Fig.15 Trigger force Simulation analysis
以某步枪为例，通过仿真得到人体使用该步枪的可达性、舒适性，同时得到后坐力、扳机力和装填力等载荷作用下的承受度、体能消耗情况，如图16所示，舒适度为二级，人体肩膀、腰椎等主要受力部位均能100%承受。
图16 人机工效仿真分析界面
Fig.16 Ergonomic simulation analysis
3.4 射击精度分析方法及应用
枪械射击精度仿真分析方法的具体方案[10]如图17所示：将初速误差、攻角、射角偏差(包括横向及纵向射角)等3个随机变量建立概率密度函数数学模型输入到随机外弹道方程就可以得出枪械射击立靶散布，获得100 m处R50、R100值。其中初速误差来源于影响内弹道的装药量、弹重、药室容积、启动压力等随机因素，通过融入随机内弹道方程计算获得(图17)，攻角和射角偏差主要通过仿真分析获取。
图17 枪械射击精度仿真分析方案框图
Fig.17 Simulation analysis scheme of gun shooting accuracy
以某步枪为例，攻角和射角偏差主要通过仿真分析获取，即自动机运动(图5)、导气压力作用(图18)、弹头挤进作用(图19)等仿真分析得出枪口跳动量、弹头攻角，最终计算得到R50=4.7 cm, R100=11.8 cm(图20)。
图18 枪口跳动位移云图
Fig.18 Muzzle jump displacement
图19 弹头出枪口姿态仿真效果图
Fig.19 Attitude of the bullet leaving muzzle
图20 100 m立靶散布示意图
Fig.20 100 m vertical target dispersion
4 结论
基于枪械几何样机，结合供弹、抛壳等主要功能性能要求以及疲劳寿命、射击精度、终点威力、人机工效、可靠性、安全性等具体性能要求，研究具体的仿真技术和方法，通过仿真软件建立了枪械数字样机，在计算机上实现了对物理样机功能和性能的分析评价。枪械数字样机的应用，能够减少样机研制过程中的加工和试验轮次，缩短产品研制周期，提高产品研制效率和设计水平，未来在枪械设计中应用将越来越普遍。
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