基于虛擬樣機(jī)的一種裝備教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

楊玉良　狄長(zhǎng)春　吳大林

基于虛擬樣機(jī)的一種裝備教學(xué)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

楊玉良1 狄長(zhǎng)春2 吳大林1

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003;

2.陸軍研究院炮兵防空兵所，中國(guó) 北京 100012）

【摘 要】為在課堂上開(kāi)展裝備教學(xué)實(shí)驗(yàn)，基于虛擬仿真軟件MSC.ADAMS，以炮口撞擊模擬火炮實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)為背景，建立了火炮裝備的虛擬樣機(jī)和炮口撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為了使得實(shí)驗(yàn)參數(shù)易修改、實(shí)驗(yàn)控制易操作、輸出結(jié)果更直觀，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用MSC.ADAMS軟件的二次開(kāi)發(fā)功能，建立了炮口撞擊實(shí)驗(yàn)的控制平臺(tái)，為開(kāi)展炮口撞擊實(shí)驗(yàn)以及獲得優(yōu)化的撞擊參數(shù)組合提供了便捷的實(shí)驗(yàn)手段。課程試用表明，基于虛擬樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，既為學(xué)員開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究提供了一種可行的實(shí)驗(yàn)手段，也為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了一種思路。

【關(guān)鍵詞】虛擬樣機(jī);實(shí)驗(yàn)平臺(tái);虛擬實(shí)驗(yàn);火炮

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ306+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）13-0056-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.026

Development and Application of Teaching Experiment Platform for Equipment Based on Virtual Prototype

YANG Yu-liang1 DI Chang-chun2 WU Da-lin1

（1.Shijiazhuang Campus of Army Engineering University， Shijiazhuang Hebei 050003， China;

2.Army Academy Artillery Air Defense Research Institute， Beijing 100012， China）

【Abstract】To carry out the teaching experiment of in classroom， with the muzzle impact simulating cannon ball firing experiment as the background， the virtual prototype of artillery equipment and the muzzle impact experiment platform are established based on simulation software MSC.ADAMS. In order to make the experiment parameters easier to modify， the experiment control easier to operate， and the output more intuitive， of the muzzle impact experiment was established by using the secondary development function of MSC.ADAMS. The control platform provides a convenient means for the experiments and acquirement of the optimized impact parameters combination. The trial in the course shows， the development of the platform provides a feasible experiment method for students as well as a train of thought for developing the experimental system.

【Key words】Virtual prototype; Experiment platform; Virtual experiment; Artillery

實(shí)驗(yàn)既是深化抽象原理知識(shí)的認(rèn)識(shí)手段，更是鍛煉實(shí)踐能力的重要手段。為此，從小學(xué)到大學(xué)，從日常生活到教學(xué)科研，用于開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)處不在，發(fā)揮著十分重要的知識(shí)理解和能力培養(yǎng)作用。在20世紀(jì)90年代以前，開(kāi)展的科學(xué)實(shí)驗(yàn)都是看得見(jiàn)、摸得著的真實(shí)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)。然而之后虛擬實(shí)驗(yàn)的崛起，使得科學(xué)實(shí)驗(yàn)更加多樣化，而且隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、多媒體技術(shù)等新技術(shù)的不斷成熟與進(jìn)步，越來(lái)越多的真實(shí)實(shí)驗(yàn)由虛擬實(shí)驗(yàn)所取代[1-3]。本文為了使學(xué)員在課堂上更好地熟悉和掌握實(shí)驗(yàn)操作技巧和具體實(shí)驗(yàn)方法，也為實(shí)裝實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)，將虛擬實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)，以具體教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用為例開(kāi)展研究。

高速大質(zhì)量塊撞擊火炮炮口從而用來(lái)模擬火炮射擊過(guò)程，被證明是一種技術(shù)可行的火炮動(dòng)力后坐模擬手段[4-5]，圖1所示為火炮沖擊后坐力學(xué)模型，其中，撞擊質(zhì)量m1、撞擊速度v1、撞擊剛度k和緩沖阻尼c是影響射擊模擬精度四個(gè)重要的撞擊參數(shù)[6-7]。為了方便獲得與具體火炮配套的、優(yōu)化的撞擊參數(shù)組合，論文脫離火炮實(shí)裝平臺(tái)，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種虛擬的火炮撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為獲得配套的、優(yōu)化的撞擊參數(shù)組合提供實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。

1 炮口撞擊實(shí)驗(yàn)環(huán)境開(kāi)發(fā)

根據(jù)火炮結(jié)構(gòu)原理知識(shí)，研究具體型號(hào)火炮的結(jié)構(gòu)形式和拓樸關(guān)系，基于參數(shù)化建模軟件Pro/E，即可建立火炮的三維數(shù)字模型。通過(guò)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件MSC.ADAMS后，正確施加各種力、運(yùn)動(dòng)、約束副和外掛程序，準(zhǔn)確賦予各種參數(shù)，即可完成火炮虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)。

為了模擬實(shí)現(xiàn)高速大質(zhì)量塊撞擊炮口的過(guò)程，在身管正前方，建立與身管炮膛軸線(xiàn)同軸的圓柱形沖擊質(zhì)量塊，賦予沖擊質(zhì)量塊較高的初始速度，使其相對(duì)于身管作同軸平移，關(guān)鍵參數(shù)是撞擊質(zhì)量和撞擊速度。沖擊質(zhì)量塊與身管之間建立碰撞約束，用以模擬撞擊及射擊脈沖的轉(zhuǎn)換過(guò)程，關(guān)鍵參數(shù)是撞擊剛度和緩沖阻尼。

至此，以火炮多剛體模型為基礎(chǔ)，依托MSC.ADAMS環(huán)境，建立了炮口撞擊實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)開(kāi)發(fā)

基于前述的炮口撞擊實(shí)驗(yàn)環(huán)境，即可進(jìn)行火炮炮口撞擊參數(shù)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究。但是，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中撞擊參數(shù)的修改、仿真的控制與執(zhí)行均需要一定的軟件熟知水平，對(duì)于普通實(shí)驗(yàn)者來(lái)說(shuō)，不便操作也沒(méi)有必要。為此，基于炮口撞擊后坐仿真試驗(yàn)環(huán)境，運(yùn)用MSC.ADAMS軟件的二次開(kāi)發(fā)功能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)的開(kāi)發(fā)主要包括自定義菜單、自定義對(duì)話(huà)框、實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出設(shè)計(jì)。

基于ADAMS軟件的開(kāi)放接口，開(kāi)發(fā)了一級(jí)菜單Gunimpact，下有Impact_Test和About二個(gè)二級(jí)子菜單，如圖3所示。其中，About子菜單用于激發(fā)關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的相關(guān)信息對(duì)話(huà)框，信息內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)功能、開(kāi)發(fā)者和開(kāi)發(fā)時(shí)間。

Impact_Test子菜單用于激發(fā)關(guān)于撞擊實(shí)驗(yàn)的自定義對(duì)話(huà)框，內(nèi)容包括撞擊參數(shù)的輸入和實(shí)驗(yàn)執(zhí)行控制。撞擊參數(shù)輸入包括撞擊質(zhì)量、撞擊速度、撞擊剛度和緩沖阻尼四個(gè)影響因素，默認(rèn)的初始參數(shù)在設(shè)計(jì)對(duì)話(huà)框時(shí)已經(jīng)賦予，各種參數(shù)的修改具有實(shí)時(shí)性，即改即確認(rèn)。實(shí)驗(yàn)執(zhí)行控制包括仿真時(shí)間和仿真步長(zhǎng)，以及實(shí)驗(yàn)執(zhí)行、停止和歸零，如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出的設(shè)計(jì)主要關(guān)心需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)的中間過(guò)程。輸出的結(jié)果主要包括在各種參數(shù)組合下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的火炮后坐位移、后坐速度曲線(xiàn)，以及本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的評(píng)估指標(biāo)-綜合平均誤差A(yù)。將火炮模擬試驗(yàn)和實(shí)彈射擊最大后坐速度Vm和后坐行程全長(zhǎng)λm的平均相對(duì)誤差A(yù)作為試驗(yàn)指標(biāo)，要求平均相對(duì)誤差最小。平均相對(duì)誤差A(yù)的計(jì)算公式為：

式中：右下標(biāo)-s表示模擬試驗(yàn)結(jié)果，-l表示實(shí)彈射擊結(jié)果。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)例實(shí)用

以某型火炮炮口撞擊實(shí)驗(yàn)為例，以獲得優(yōu)化的撞擊參數(shù)為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，進(jìn)行虛擬的炮口撞擊實(shí)驗(yàn)研究。

（1）試驗(yàn)因素及試驗(yàn)水平確定。為了獲得優(yōu)化的撞擊參數(shù)組合，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表格。選取撞擊質(zhì)量、撞擊速度、撞擊剛度和緩沖阻尼為四個(gè)影響因素，其因素及水平如表1所示。

（2）試驗(yàn)指標(biāo)確定。將火炮模擬試驗(yàn)和實(shí)彈射擊最大后坐速度Vm和后坐行程全長(zhǎng)λm的平均相對(duì)誤差A(yù)作為試驗(yàn)指標(biāo)，要求平均相對(duì)誤差最小。

（3）試驗(yàn)方案確定。四個(gè)因素、3個(gè)水平，選用正交表L9（34）安排實(shí)驗(yàn)，共計(jì)做9次實(shí)驗(yàn)。

（4）進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。啟動(dòng)炮口撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置仿真控制時(shí)間0.2s，仿真步長(zhǎng)100步。逐實(shí)驗(yàn)號(hào)輸入撞擊質(zhì)量、撞擊速度、撞擊剛度和緩沖阻尼的數(shù)值。按RUN執(zhí)行實(shí)驗(yàn)，記錄輸出A的數(shù)值。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示?；跇O差分析，可以直接發(fā)現(xiàn)四個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度大小排序?yàn)?，撞擊質(zhì)量>撞擊速度>緩沖阻尼>撞擊剛度，并能獲得一組優(yōu)化值為3600、16、3500、10。進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果為0.04569，符合工程不超過(guò)5%的精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，為學(xué)員開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究提供了一種可行的實(shí)驗(yàn)手段，也為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了一種思路。通過(guò)課程的教學(xué)試用，學(xué)員無(wú)須掌握專(zhuān)業(yè)的MSC.ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件，只需了解實(shí)驗(yàn)的背景，即可順利完成炮口撞擊虛擬實(shí)驗(yàn)，能夠獲得優(yōu)化的、符合工程需求的撞擊參數(shù)組合。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孟祥增，馬萍，劉瑞梅.三維虛擬場(chǎng)景的創(chuàng)設(shè)與立體播放. 中國(guó)電化教育，2011（295）：125-128.

[2]劉巧麗，趙愛(ài)平.談虛擬實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)應(yīng)用[J].衡水學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（4）：99-101.

[3]瞿矍.網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性及可行性[J].高教論壇，2004（2）：79-81.

[4]王貢獻(xiàn)，褚德英，張磊，等.艦船設(shè)備沖擊試驗(yàn)機(jī)研究進(jìn)展[J].振動(dòng)與沖擊，2007，26（2）：152-159.

[5]Faller J G.Simulating firing loads provides flexibility and test repeatability[R].ADA323489，1997.

[6]張鴻浩，陳永才，王瑞林，等.火炮動(dòng)力后坐運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，12（3）：12-16.

[7]姚養(yǎng)無(wú).火炮后坐仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及其動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真[J].兵工學(xué)報(bào)，2001，22（2）：152-155.