基于ADAMS／View 的高炮自動機(jī)動力學(xué)仿真平臺設(shè)計?

李正偉，徐鳳軍，高躍飛

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

自動機(jī)作為高炮的核心，其好壞直接決定了高炮的性能。在自動機(jī)設(shè)計階段，為了得到各零部件的動力學(xué)響應(yīng)，需要不斷地針對設(shè)計機(jī)構(gòu)建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行動力學(xué)分析，且自動機(jī)零件繁多，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，每次對結(jié)構(gòu)修改后，往往要對虛擬樣機(jī)進(jìn)行修改甚至重復(fù)建模，實現(xiàn)模型的參數(shù)化又很困難。而ADAMS除了具有很強(qiáng)的動力學(xué)分析功能外，還具有很強(qiáng)的二次開發(fā)功能，包括ADAMS／View界面的用戶化設(shè)計、利用cmd語言編輯宏命令實現(xiàn)自動處理和仿真控制、通過編制用戶子程序滿足用戶的某些特定需求，甚至可以拓展ADAMS的功能［1］。因此，為了簡化每次重復(fù)修改、建立虛擬樣機(jī)的工作，提高仿真效率，本文應(yīng)用ADAMS中的View模塊，開發(fā)了針對某高炮自動機(jī)的虛擬樣機(jī)動力學(xué)仿真平臺。

1 建立自動機(jī)虛擬樣機(jī)

1．1 自動機(jī)介紹

自動機(jī)是自動炮的重要組成部分，主要完成自動重復(fù)裝填和發(fā)射情況下發(fā)炮彈實現(xiàn)連發(fā)射擊［2］。該自動機(jī)結(jié)構(gòu)包括扣機(jī)部件、身管部件、進(jìn)彈機(jī)、輸彈機(jī)、炮閂部件和浮動機(jī)部件等部分，這些機(jī)構(gòu)依靠炮箱組成一個整體，并安裝在炮架上。

1．2 虛擬樣機(jī)的建立

在對自動機(jī)結(jié)構(gòu)特點研究分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用UG建立自動機(jī)各零部件的三維模型，并按火炮行軍狀態(tài)時自動機(jī)各零件的相對位置裝配。裝配時，應(yīng)對自動機(jī)進(jìn)行必要的簡化，模型中一些次要的對結(jié)果基本不影響的零件可省略，不再裝配或應(yīng)用布爾工具合并到其固連的零部件上。

首先將簡化后的自動機(jī)裝配體導(dǎo)出Parasolid文件（．x＿t），然后將該文件導(dǎo)入 ADAMS中；然后修改各零件的材料屬性，并根據(jù)自動機(jī)各零件的運(yùn)動及位置關(guān)系添加約束副。該自動機(jī)為導(dǎo)氣式自動機(jī)，載荷主要有彈底壓力、炮膛合力、后效期作用力和導(dǎo)氣室壓力。其中導(dǎo)氣室壓力采用常用的布拉文經(jīng)驗公式法，因為其他載荷都與事先求得的p－t曲線有線性關(guān)系，所以先采用AKSPLINE函數(shù)擬合p－t曲線，然后乘以系數(shù)后轉(zhuǎn)化得到。

2 動力學(xué)仿真平臺設(shè)計

2．1 需求分析

仿真平臺的功能主要包括：虛擬樣機(jī)中零部件的質(zhì)量、密度、轉(zhuǎn)動慣量的修改；載荷施加、查看與修改；接觸力參數(shù)、彈簧力參數(shù)的修改；零件替換功能；對部分變形量較大的零件進(jìn)行柔性化處理；對不同仿真參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2．2 平臺結(jié)構(gòu)

該平臺主要包括啟動文件、初始化文件、模型文件、菜單文件、對話框文件和平臺幫助文件等。為了便于各文件的管理和讀取，將上述文件按層次結(jié)構(gòu)存放于同一目錄下，其組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．3 啟動文件與初始化程序

應(yīng)用文本文件編寫啟動程序，并將文件名改為

“start．dat”，主要程序語句為：

call load＿h(yuǎn)elp．bat

call D：＼MSC．Software＼Adams＼2012＼common＼mdi．bat aview ru－st i

啟動過程為：首先運(yùn)行start．bat文件，然后用start．bat調(diào)用load＿h(yuǎn)elp．bat，將help文件夾中的幫助文件復(fù)制到ADAMS安裝目錄下的help文件夾中，隨后，啟動ADAMS安裝目錄下的mdi．bat文件打開ADAMS。虛擬樣機(jī)模型的二進(jìn)制文件命名為“aview．bin”，這樣打開的ADAMS便自動搜索到該文件并讀入打開。打開虛擬樣機(jī)模型后，還要將定制好的菜單和對話框讀入到虛擬樣機(jī)環(huán)境中，進(jìn)行動力學(xué)仿真平臺的初始化。初始化的文件命名為“aviewBS．cmd”，模型文件打開后，ADAMS自動讀入該cmd文件［3］。平臺初始化文件的主要程序語句為：

！界面改為經(jīng)典模式，便于菜單顯示

defaults interface style＝classic

！讀入菜單文件

interface menubar read menubar

＝．gui．main．mbar file＝"．＼mnu＼automat＿cla．mnu"

！建立新對象庫“．my＿gui”

library create library＿name＝．my＿gui

！讀入一系列對話框文件

file command read file＿name＝"．／dia／create＿part．cmd"

……

2．4 用戶化菜單設(shè)計

在ADAMS／View環(huán)境中，應(yīng)用Tools＞Menu＞Modify工具，遵照菜單語句的語法格式，添加用戶需要的菜單命令，并導(dǎo)出為“．mnu”文件，菜單結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 平臺組織結(jié)構(gòu)

圖2 用戶菜單結(jié)構(gòu)圖

2．5 對話框設(shè)計及功能分析

2．5．1 參數(shù)修改對話框

仿真時，經(jīng)常需要對一些參數(shù)進(jìn)行修改，由于在模型樹中一一查找又很麻煩，因此建立如圖3所示的參數(shù)修改對話框。但自動機(jī)中零件繁多，接觸關(guān)系復(fù)雜，不可能將所有接觸力全部在對話框中呈現(xiàn)出來，所以圖中的接觸力和彈簧的參數(shù)對話框，只標(biāo)注出一些對仿真結(jié)果影響較大的接觸關(guān)系和彈簧力。仿真時，可方便地對參數(shù)進(jìn)行修改，對于其他接觸力的參數(shù)可通過提前定義好的設(shè)計變量統(tǒng)一修改，提高仿真效率。

2．5．2 載荷修改對話框

在ADAMS內(nèi)部對話框“Modifyspline”的基礎(chǔ)上添加了載荷單選框控件，建立載荷修改對話框，如圖4所示。

圖3 參數(shù)修改對話框

圖4 載荷修改對話框

2．5．3 零件替換

當(dāng)需要替換Part時，可用宏命令實現(xiàn)零件的自動替換，考慮到通用性只替換零件的Solid。而且零件的Mark點等質(zhì)量屬性信息保留，對約束副的i Mark和j Mark沒有影響，所以無需刪除零件間約束關(guān)系。零件替換的具體過程為：①刪除虛擬樣機(jī)內(nèi)所有的接觸力；②刪除需要替換零件的實體；③導(dǎo)入新的實體并重新命名；④重新添加原始接觸力。

2．5．4 仿真結(jié)果查看

仿真結(jié)束后，為了方便查看仿真結(jié)果，將需要重點關(guān)注的零件的動力學(xué)響應(yīng)曲線融合到如圖5所示的結(jié)果查看對話框中，用戶只需點擊相應(yīng)的按鈕，曲線就可顯示在繪圖區(qū)。

圖5 結(jié)果查看對話框

2．5．5 幫助文檔

為了方便用戶的使用，將各種功能的使用方法步驟編輯組織在一起形成“．mht”文件，保存在目錄下的help文件夾中，在平臺初始化時，通過批處理命令將該文件復(fù)制到ADAMS安裝目錄下的help文件夾中，用戶可通過用戶菜單項中的help打開。

3 仿真算例

以某高炮為例，在0°高低角、導(dǎo)氣室調(diào)節(jié)孔直徑為Φ2．8mm工況下對火炮循環(huán)射擊時自動機(jī)的動力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，基礎(chǔ)構(gòu)件炮閂座的速度－時間曲線如圖6所示，炮閂座后坐最大速度為（17．4±0．3）m／s。將上述仿真結(jié)果與指標(biāo)數(shù)據(jù)［4，5］對比，誤差約為6．5%，滿足誤差要求，說明虛擬樣機(jī)可信，仿真結(jié)果具有一定的參考價值。

4 結(jié)語

基于ADAMS二次開發(fā)技術(shù)，針對某高炮自動機(jī)開發(fā)了動力學(xué)仿真平臺，簡化了虛擬樣機(jī)的修改過程，提高了動力學(xué)仿真的效率。但平臺只能針對該自動機(jī)動力學(xué)仿真，通用性差，有待改進(jìn)。

圖6 炮閂座的速度－時間曲線

［1］ 陳立平，張云清，任衛(wèi)群，等．機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程［M］．北京：清華大學(xué)出社，2005．

［2］ 王文記，趙國豪，趙勇，等．國內(nèi)外高炮浮動技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2007（9）：69－72．

［3］ 劉吉成，張學(xué)紅，劉樹林，等．基于ADAMS的機(jī)械造穴工具二次開發(fā)平臺研究［J］．機(jī)械設(shè)計，2011（10）：41－44．

［4］ 馮長根，溫波，王茂林，等．高炮發(fā)射動力學(xué)仿真技術(shù)研究［J］．兵工學(xué)報，2001（5）：145－148．

［5］ 陳熙，張冠杰．35mm高炮技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2002．