火炮自動機仿真優(yōu)化平臺開發(fā)技術(shù)研究

沈冠軍，曹紅松，白友平，劉恒著，陳明剛

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.重慶望江工業(yè)有限公司，重慶 404100)

1 動力學(xué)仿真平臺總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃

該平臺包含后坐式自動機、導(dǎo)氣式自動機、轉(zhuǎn)膛式自動機、轉(zhuǎn)管式自動機、鏈?zhǔn)阶詣訖C、雙管聯(lián)動式自動機等型自動機的動力學(xué)仿真及優(yōu)化，通過分析其拓?fù)潢P(guān)系、建立通用模板，針對關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)、力學(xué)特征、載荷約束等進行參數(shù)化、再對軟件進行二次開發(fā)交互界面，這樣用戶可通過菜單選擇待分析自動機的類型，修改相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)得到動力學(xué)仿真模型[2]。平臺包含自動機常見機構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)分析，針對一些重要構(gòu)件設(shè)計了剛?cè)狁詈辖涌?。同時提供仿真結(jié)果優(yōu)化。仿真與優(yōu)化結(jié)果按指定格式輸出，方便用戶進行結(jié)果查看與分析。

1.2 仿真優(yōu)化流程

用戶選擇模板建立仿真模型，模型包含了相應(yīng)的接觸、運動副、載荷等關(guān)系，針對不同的仿真內(nèi)容程序選擇相應(yīng)的仿真腳本，仿真得到結(jié)果與實際指標(biāo)進行對比決定是否進行重新仿真和結(jié)果優(yōu)化，滿足用戶指標(biāo)后進行結(jié)果輸出，如圖1所示。

2 虛擬樣機模板創(chuàng)建

虛擬樣機模型的創(chuàng)建是事先建立通用的模板，新的模型調(diào)取該模板，通過參數(shù)設(shè)置，對力、運動副等相關(guān)設(shè)計變量進行修改，產(chǎn)生新的仿真模型。在建立模板時，針對不同種類的自動機，詳細(xì)分析其拓?fù)潢P(guān)系、主被動件、力的傳遞特征，然后調(diào)用修改三維模型建立通用的模板，方便用戶自動快捷建立虛擬樣機模型。

在該平臺中，針對不同類型的自動機，其動力學(xué)模板文件主要由兩個cmd文件組成，一個文件包含每型自動機的三維實體信息，用來在動力學(xué)仿真軟件中構(gòu)建自動機的實體模型，另一個文件包含了針對每型自動機存在的所有運動副約束及力等關(guān)系。

2.1 自動機拓?fù)潢P(guān)系及模型建立

在建立自動機動力學(xué)模型之前需對自動機的拓?fù)潢P(guān)系進行分析，常見的自動機的拓?fù)潢P(guān)系分析方法具有類似的特征。以某型轉(zhuǎn)膛自動機為例，其主要包含驅(qū)動機構(gòu)、進彈機構(gòu)、推彈機構(gòu)等。自動機主動力來源于導(dǎo)氣室壓力，從身管內(nèi)膛導(dǎo)出的火藥氣體通過導(dǎo)氣裝置作用于活塞上，活塞推動滑板，滑板的往復(fù)直線運動通過轉(zhuǎn)膛滑板上的曲線槽，轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)膛體的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)膛軸與撥彈機軸相連，轉(zhuǎn)膛體的轉(zhuǎn)動和撥彈機的轉(zhuǎn)動同步[2]。

轉(zhuǎn)膛自動機是以內(nèi)能源為動力進行運動的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，射速快。完全用仿真環(huán)境來模擬實際環(huán)境是很困難的，需將實際模型結(jié)構(gòu)和受力進行相應(yīng)的簡化[3]。

炮箱作為機架固定于大地上，撥彈機箱體固定于炮箱上。

主動滑板以移動副在炮箱上移動，轉(zhuǎn)膛滑板、左右輸彈簧筒和連接筒通過固定副和主動滑板相連。連接筒與推彈滑座固連，推彈滑座上固連擊針等擊發(fā)構(gòu)件。

轉(zhuǎn)膛體通過固連于轉(zhuǎn)膛體上的滾輪與轉(zhuǎn)膛滑板的人字曲線槽以接觸的形式相連。

轉(zhuǎn)膛體和轉(zhuǎn)膛軸固連，轉(zhuǎn)膛軸與撥彈機軸固連，撥彈機軸固連齒輪，通過齒輪副帶動撥彈輪工作。

對于自動機中存在的摩擦只考慮典型構(gòu)件間的摩擦。

按以上分析，其拓?fù)潢P(guān)系如圖2所示，由此建立轉(zhuǎn)膛自動機的動力學(xué)模型。

動力學(xué)模型所包含的三維實體模型由三維制圖軟件生成，通過parasolid格式將實體模型導(dǎo)入到動力學(xué)仿真模型ADAMS中，建立運動副及約束關(guān)系，針對關(guān)鍵構(gòu)件碰撞傳力特征，大量采用了接觸副。平臺提供針對一個或多個零件的修改及替代功能，通過平臺，用戶可對指定動力學(xué)模型中的零件進行修改。

2.2 載荷處理方法

1)膛底合力

膛底合力為：

F=pS

(1)

式中：p為瞬時膛壓；S為膛底面積。

2)導(dǎo)氣室合力

導(dǎo)氣室合力采用布拉文經(jīng)驗公式法：

(2)

式中：t為氣室壓力工作時間；pd為彈丸過導(dǎo)氣孔膛壓；ss為活塞面積；a為導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)；b為時間參數(shù)。

表達式中t、pd、ss可以由內(nèi)彈道和機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)計算得到，a、b兩個參數(shù)由結(jié)構(gòu)參數(shù)查表得到。

導(dǎo)氣室壓力可由兩種方式生成：通過外部導(dǎo)氣室壓力計算軟件或?qū)嶒灉y試得到的導(dǎo)氣室壓力曲線；通過內(nèi)彈道和氣室參數(shù)，利用布拉溫經(jīng)驗公式計算得到導(dǎo)氣室壓力曲線。在ADAMS中，導(dǎo)氣室壓力的表達式為：

If(time-t0:0,0,P·S·exp(-(time-t0)/b)·

(1-exp(-a·(time-t0)/b)))

(3)

式中，t0為彈丸過導(dǎo)氣孔的時間。膛底壓力F由外部內(nèi)彈道計算軟件計算，通過導(dǎo)入曲線的形式導(dǎo)入到平臺。

3) 抽筒力

抽筒力Fch的計算采用工程算法：

(4)

式中：f為摩擦因數(shù)；p1為藥筒與炮膛之間的徑向壓力；d1為藥筒的外徑；l為藥筒的工作長度；d為藥筒的內(nèi)徑；pct為抽筒時膛壓。

2.3 復(fù)雜彈簧的處理方法

1)復(fù)進簧。在諸多的自動機中存在復(fù)進簧在復(fù)進和后坐的過程中存在變剛度的情形，在建立模型的過程中，采用多股彈簧模擬實際彈簧。為實現(xiàn)彈簧變剛度，創(chuàng)建傳感器用以判斷彈簧處于復(fù)進過程還是后坐過程，進而確定哪幾根彈簧失效還是參與運動。

2)浮動機簧。對包含浮動機的自動機，通過添加浮動簧來模擬浮動機產(chǎn)生的作用，在自動機質(zhì)心處添加彈簧，對彈簧進行剛度、阻尼的設(shè)置，同時針對現(xiàn)有的浮動曲線，通過導(dǎo)入spline曲線對浮動簧進行初始化設(shè)置。對于采用液壓的浮動機，需要添加阻尼器，將相關(guān)液壓參數(shù)進行初始化設(shè)置[4]。

3 通用仿真平臺的交互

該仿真平臺在ADAMS/View的環(huán)境下進行二次開發(fā)，利用Dialog-Box Builder、Menu Builder和Macro Builder等工具進行對話框、界面及專用程序的開發(fā)。開發(fā)生成的界面對象以層次結(jié)構(gòu)存儲在模型數(shù)據(jù)庫中。用戶使用時調(diào)取數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件[5]。

3.1 軟件的引導(dǎo)與定制

為實現(xiàn)火炮自動機動力學(xué)仿真優(yōu)化平臺的自動加載，編寫引導(dǎo)文件，運行該引導(dǎo)文件即進入該仿真平臺。該引導(dǎo)文件包含了程序初始化所有的菜單、對話框和宏命令的全部信息。

3.2 可視化界面的開發(fā)

1) 菜單和對話框。菜單和對話框的創(chuàng)建是基于ADAMS自帶的Menu和Dialog box工具。菜單的創(chuàng)建是利用Menu編輯工具，根據(jù)ADAMS相應(yīng)的語法，編寫該平臺的菜單項，包括模型的創(chuàng)建、存儲；動力學(xué)仿真環(huán)境的設(shè)置、動力學(xué)仿真結(jié)果的優(yōu)化、零部件的修改替換；仿真與優(yōu)化結(jié)果的查看等。

2)功能實現(xiàn)。模型的建立、關(guān)鍵參數(shù)的修改設(shè)置、模型部分零件的修改替換是利用對話框功能實現(xiàn)。

模型的建立是基于導(dǎo)入模板的形式，關(guān)鍵參數(shù)的修改是基于設(shè)計變量的修改，對關(guān)鍵參數(shù)建立對應(yīng)的設(shè)計變量，可通過對話框進行修改。

三維模型的生成是在平臺下通過平臺調(diào)用包含三維模型信息的cmd模板文件，在模型生成后用戶可指定需要更新或替換的某些部件，調(diào)用運動副等信息的文件，程序?qū)⒆詣訉崿F(xiàn)運動副、力等的加載和更新，從而實現(xiàn)動力學(xué)仿真模型的自動生成。實現(xiàn)該過程的部分代碼如下：

……

file command read file=" G:Dynamics emplet

emplet_revolution.cmd"!導(dǎo)入模板文件

……

！用于確定運動副的點的更新

marker modify marker_name = .(eval(XTMC)).

zthb.cm

orientation = ( ORI_GLOBAL( eval(XTMC).

zthb.T_px__zthb_M_I.orientation,

eval(XTMC).ground.M_QJ ) )

marker modify marker_name = .(eval(XTMC)).

zthb.T_px__zthb_M_I

location = ( LOC_GLOBAL( {0,0,0} ,

eval(XTMC).zthb.cm ) )

orientation=( ORI_GLOBAL(eval(XTMC).

zthb.cm.orientation,

eval(XTMC).ground.M_QJ ) )

marker modify marker_name = .(eval(XTMC)).

px.T_px__zthb_M_J

location = ( LOC_GLOBAL( {0,0,0} ,

eval(XTMC). zthb.cm ) ) orientation = ( ORI_GLOBAL(eval(XTMC).

zthb.cm.orientation,

eval(XTMC).ground.M_QJ ) )

……

平臺提供對部分零件的修改及替換，常見的修改包含零件質(zhì)量，質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等的修改，同時支持對零件尺寸的修改，由于在ADAMS的環(huán)境建立復(fù)雜模型的局限性，所以用戶可以通過CAD建模軟件在平臺外部建立該零件并保存為parasolid格式，通過編制程序?qū)⒅付慵M行修改替換，同時替換功能為剛?cè)狁詈系挠嬎闾峁┝朔椒?，用戶只需在相關(guān)有限元軟件生成柔性體文件，將該柔性體文件和之前的剛體文件進行替換即能實現(xiàn)。該程序部分代碼如下：

！制定需要修改的零件的part名

part delete &

part_name = $field_part_name

！選擇需要修改零件的存放路徑

file parasolid read &

file_name = $field_temp &

type = ascii &

part_name = $field_part_name

part modify rigid mass_properties &

part_name = $field_part_name &

density = $field_density

3.3 模型仿真優(yōu)化參數(shù)的傳遞

平臺具有仿真優(yōu)化的功能，針對仿真結(jié)果，用戶選擇優(yōu)化變量，設(shè)置變量的變化范圍和目標(biāo)函數(shù)，采用DOE方法進行優(yōu)化，用戶可對多方案進行對比分析及決策。

4 應(yīng)用示例

進入系統(tǒng)后，以轉(zhuǎn)膛自動機動力學(xué)仿真為例，選擇自動機動力學(xué)仿真項，同時選擇模板、修改參數(shù)生成自動機動力學(xué)模型如圖3所示，在Adjust選項中，用戶可導(dǎo)入膛壓曲線、修改導(dǎo)氣室參數(shù)等載荷參量。平臺中部分界面如圖4所示。

在Simulation選項中設(shè)置仿真工況名稱，自動機循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，對該自動機進行動力學(xué)仿真計算，可得到該自動機各個構(gòu)件之間的相互作用特性。同時用戶可選擇相應(yīng)的腳本文件，對相應(yīng)的機構(gòu)進行仿真查看。仿真得到主動滑板速度和加速度曲線如圖5和圖6所示。

5 結(jié) 論

通過該平臺，用戶能夠快速實現(xiàn)火炮自動機的動力學(xué)虛擬樣機的建模與修改，進行多種工況的仿真及優(yōu)化，尤其在設(shè)計的初始階段，進行多次的修改仿真，分析力學(xué)特性、運動學(xué)特性，更能促進設(shè)計方案的合理選擇。同時，動力學(xué)仿真得到的結(jié)果可為有限元分析、關(guān)鍵件疲勞壽命分析提供力學(xué)參數(shù)，利用平臺的優(yōu)化功能，能對自動機運動過程中各種傳動面的碰撞現(xiàn)象進行優(yōu)化。利用二次開發(fā)實現(xiàn)了平臺的通用性。

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