单兵武器在战场中具有重要的作用,高精度、大射程、大威力、良好的操控性等可以有效提高武器的作战效能,保证战士的战时生存能力。因此结合人的影响因素对单兵武器进行人机工效分析和射击效能研究,具有重要的理论价值和军事意义。以某型远程单兵榴弹发射武器的射击效能优化为目标,针对武器系统研制过程中射击精度欠佳、射手控枪困难的问题,进行了人机系统建模仿真分析和实验研究。主要研究工作和研究成果如下:(1)将单兵榴弹武器射击过程中的系统运动问题,抽象为瞬态冲击激励作用下的弹性连接多刚体系统的运动响应问题。根据武器系统运动特征,结合人体生物力学特点,建立了一种新型两刚体五自由度人机系统运动模型:将武器系统与人体手臂简化成为一个刚体A1,将人体头部与上躯干简化成一个刚体A2;武器系统的后坐运动、俯仰转动、水平转动及人体上躯干的水平转动、俯仰转动定义为系统的五个自由度;使用等效的弹性系数和阻尼系数约束模型中刚体的运动自由度,为单兵榴弹武器的人机工效研究提供了一种新的模型研究方法。(2)采用第二类Lagrange方法推导了系统动力学方程,建立了系统动力学模型。通过对该模型的仿真分析,研究了武器质量、武器质心Y轴坐标值(质心的高低位置)、等效阻尼系数Cx(控制刚体A2后坐运动的阻尼系数)与抵肩作用力的变化关系;分别获得了武器质量-抵肩力峰值拟合方程、武器质心Y坐标值-抵肩力峰值拟合方程、等效阻尼系数Cx-抵肩力峰值拟合方程;通过对各设计变量进行近似比例区间计算,得到了增加武器质量,减小武器质心Y轴坐标值可以有效降低抵肩力峰值的结论,为减小抵肩力及进行武器参数设计的改进提供了理论依据。(3)研究了武器质量、武器质心X轴坐标值(质心的前后位置)、武器质心Y轴坐标值、抵肩点Y轴坐标值(抵肩点的高低位置)与武器运动稳定性(武器俯仰转动角位移和武器水平转动角位移)的变化关系;分别得到了各参量与弹丸出膛时刻的武器俯仰角的拟合方程、各参量与弹丸出膛时刻的武器水平转角的拟合方程;通过对各设计参量进行近似比例区间计算,得到了增大武器质量、增大武器质心X轴坐标值和Y轴坐标值、增大抵肩点Y轴坐标值可以减小武器俯仰转动角位移和水平转动角位移的结论,为提高武器运动稳定性及进行武器参数设计的改进提供了理论依据。(4)研究了等效阻尼系数Cα值(控制刚体A2俯仰转动的阻尼系数)和Cθ值(控制刚体A1俯仰转动的阻尼系数)与武器俯仰转动角位移的变化关系,获得了 Ca-弹丸出膛时刻武器俯仰角位移拟合方程、Cθ-弹丸出膛时刻武器俯仰角位移拟合方程,通过对各设计变量进行等比例区间计算,得到了保持较大的Cα值(权重大)和较小的Cθ值(权重小)可以减小武器俯仰角位移的结论;研究了等效阻尼系数Cβ值(控制刚体A2水平转动的阻尼系数)和Cγ值(控制刚体A1水平转动的阻尼系数)与武器水平转动角位移的变化关系,获得了 Cβ-弹丸出膛时刻武器水平转动角位移拟合方程、Cγ-弹丸出膛时刻武器水平转动角位移拟合方程,通过对各设计变量进行等比例区间计算,得到了保持较大的Cβ值(权重大)和较小的Cγ值(权重小)可以减小武器俯仰角位移的结论;等效阻尼系数Cα、Cθ、Cβ、Cγ的研究表明:射手为了提高武器射击稳定性应当保持腰部肌肉(主要为控制上躯干俯仰转动和水平转动的肌肉群)处于紧张状态,而控制武器稳定性的肌肉(主要为手臂和肩部部位的控制武器俯仰转动和水平转动的肌肉群)处于正常紧张度,为指导射手训练提供了理论参考(5)搭建了基于正交高速摄影测量的人机系统运动测试系统和基于压电式三维力传感器测量的抵肩作用力测试系统;通过对远程单兵榴弹武器实验样机进行的运动测量和抵肩力测量,获得了武器后坐位移曲线、武器俯仰转动角位移曲线、武器水平转动角位移曲线和抵肩力曲线,分别对实验测量曲线与仿真曲线进行对比,结果表明仿真曲线与实验曲线符合度较好、曲线变化的基本规律一致,验证了人机系统模型研究的可行性;对改进样机(根据可变设计参量的分析结果,对武器质量和质心位置进行调整)进行运动测量和抵肩力测量,获得改进样机俯仰运动角位移曲线、水平运动角位移曲线和抵肩力曲线。将改进样机测试实验获得的抵肩力峰值、弹丸出膛时刻俯仰角位移和水平转动角位移与计算得到的拟合曲线进行比较,测试结果与计算拟合误差较小,验证了计算拟合曲线的有效性;将改进样机的测试结果与实验样机的测试结果进行比较,抵肩力峰值明显降低,弹丸出膛时刻武器的俯仰转动角位移和水平转动角位移有所降低,提高了武器射击运动的稳定性和人机工效,验证了改进样机优化的有效性。研究成果为单兵远程榴弹武器研制过程中质量、质心参数的选择提供了设计指导及参考,为有效提高大射程条件下的射击稳定性及控枪可靠性提供了理论支撑;对射手腰部和肩部作用力的合理控制提供了理论依据和执行方法,能有效提高射击效能和训练水平,为单兵武器人机工效问题的进一步研究奠定了基础。