劉伊華 李鴿 朱鏡麗

摘要：本文基于槍械自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)、殺傷元侵徹靶板等較為成熟的仿真工作，提煉總結(jié)其規(guī)律性，將繁瑣的重復(fù)工作封裝開發(fā)到程序中，完成仿真建模自動(dòng)化，從而提高仿真分析速度，在設(shè)計(jì)仿真技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)一體化；同時(shí)將輕武器產(chǎn)品管理系統(tǒng)（PDM）與仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（SDM）兩大系統(tǒng)集成，在設(shè)計(jì)仿真管理層面實(shí)現(xiàn)一體化。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)仿真一體化技術(shù)可以大大提高仿真效率，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)仿真過程數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效管理，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、仿真的一體化。

Abstract： Based on firearms automata dynamics， damage element penetrating target and so on， this article summarizes its regularity， encapsulate tedious repetitive work in the program， completes the automatic simulation modeling and the simulation analysis speed is improved， realizing integration at the design simulation technical level. At the same time， it integrates the small weapon product management system （PDM） and the simulation data management system （SDM）， and realizes the integration in the design simulation management level. The results show that the design simulation integration technology can greatly improve the simulation efficiency， and the design simulation process data is effectively managed， and the design and simulation integration is realized.

關(guān)鍵詞：PDM；SDM；一體化；仿真

Key words： PDM；SDM；integration；simulation

中圖分類號(hào)：TJ202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）17-0177-03

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、仿真數(shù)據(jù)管理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程等技術(shù)應(yīng)用范圍已經(jīng)滲透到諸如航空、航天、武器、車輛等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，其核心內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)管理、建模技術(shù)、仿真技術(shù)等。

對(duì)于輕武器產(chǎn)品，通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、仿真數(shù)據(jù)管理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程等各部分之間的相互作用和整合集成，可以大大提高任務(wù)管理和完成效率，將為輕武器產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一個(gè)基于三維模型的設(shè)計(jì)[1][2]、仿真集成的一體化環(huán)境，即設(shè)計(jì)仿真一體化，一體化（Integration）是指“從系統(tǒng)或整體的觀點(diǎn)出發(fā)，按照一個(gè)總的目的把若干有關(guān)的工作或任務(wù)有機(jī)地組織和綜合起來(lái)，在不同的發(fā)展階段使其發(fā)揮各自的特點(diǎn)，以求得在它們運(yùn)行中獲得最大收效”。一體化技術(shù)是在系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息工程與現(xiàn)代管理等各方面取得進(jìn)步的基礎(chǔ)上形成的，是一門跨學(xué)科、綜合性的科學(xué)技術(shù)，也是現(xiàn)代科技發(fā)展的必然趨勢(shì)[3][4]。

本文開展基于三維模型的輕武器產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真一體化技術(shù)研究，實(shí)質(zhì)上是在設(shè)計(jì)仿真流程和技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)相應(yīng)的軟件仿真系統(tǒng)，提供分析手段和技術(shù)平臺(tái)，即基于三維模型的輕武器設(shè)計(jì)、仿真集成主要將設(shè)計(jì)/仿真流程集成、設(shè)計(jì)/仿真一體化集成，設(shè)計(jì)/仿真流程集成是指將產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）與仿真數(shù)據(jù)管理（SDM）兩大系統(tǒng)集成，形成完善的設(shè)計(jì)仿真流程；設(shè)計(jì)/仿真一體化是將商用仿真軟件二次開發(fā)，形成較為通用的仿真模板，根據(jù)設(shè)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)快速仿真建模，提高設(shè)計(jì)仿真效率。

1 總體技術(shù)方案

輕武器設(shè)計(jì)、仿真一體化主要由設(shè)計(jì)/仿真流程集成與設(shè)計(jì)/仿真一體化兩大方面構(gòu)成，設(shè)計(jì)/仿真流程集成是指將產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）與仿真數(shù)據(jù)管理（SDM）兩大系統(tǒng)集成，形成完善的設(shè)計(jì)仿真流程，即將PDM的Windchill系統(tǒng)與SDM的SimManager系統(tǒng)集成開發(fā)；設(shè)計(jì)/仿真一體化是根據(jù)某類輕武器仿真經(jīng)驗(yàn)與規(guī)律，將商用仿真軟件二次開發(fā)，形成較為通用的仿真模板，根據(jù)設(shè)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)快速仿真建模，主要開發(fā)兩個(gè)仿真模板，一是針對(duì)手槍、狙擊步槍、自動(dòng)步槍等不同槍械，將自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真過程形成通用的快速建模模板，二是針對(duì)球形破片、手槍彈、步槍彈等不同殺傷元侵徹明膠靶標(biāo)仿真過程形成通用的快速建模模板。（圖1）

2 設(shè)計(jì)/仿真管理系統(tǒng)集成

設(shè)計(jì)/仿真流程集成是指將產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）與仿真數(shù)據(jù)管理（SDM）兩大系統(tǒng)集成，形成完善的設(shè)計(jì)仿真流程，即將PDM的Windchill系統(tǒng)與SDM的SimManager系統(tǒng)集成開發(fā)，集成場(chǎng)景如下：①設(shè)計(jì)人員在Windchill系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建并發(fā)起仿真任務(wù)；仿真人員在Windchill系統(tǒng)內(nèi)接受仿真任務(wù)，SimManager系統(tǒng)自動(dòng)同步創(chuàng)建仿真任務(wù)；②仿真報(bào)告在Windchill系統(tǒng)提交并發(fā)起報(bào)告簽審流程；當(dāng)審簽流程通過后，自動(dòng)觸發(fā)接口流程在當(dāng)前報(bào)告所屬的分析任務(wù)下創(chuàng)建分析報(bào)告對(duì)象，并將報(bào)告文件自動(dòng)檢入到SimManager系統(tǒng)。該方案分析報(bào)告掛在SimManager系統(tǒng)下對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象下。（圖2、圖3）

3 槍械自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)仿真一體化

槍械自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)仿真一體化采用四層體系結(jié)構(gòu)，即交互層、接口層、數(shù)據(jù)層和驅(qū)動(dòng)層[5][6]，其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。為提高平臺(tái)的可靠性、靈活性和交互性，擬在現(xiàn)有CAD、CAE軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，采用UG構(gòu)件三維實(shí)體模型。

①驅(qū)動(dòng)層是構(gòu)建整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理、虛擬樣機(jī)仿真、所有軟硬件條件，UG軟件完成全槍零部件三維建模、Adams實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真。

②數(shù)據(jù)層包括膛壓曲線數(shù)據(jù)庫(kù)和仿真報(bào)告模板，在后續(xù)仿真工作中可直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中選取膛壓曲線進(jìn)行導(dǎo)入，最終的仿真報(bào)告可基于模板自動(dòng)生成。

③接口層包括數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)接口為各子系統(tǒng)的模型、參數(shù)等進(jìn)行交換，為軟件集成和用戶交互提供基礎(chǔ)。

④交互層負(fù)責(zé)用戶人機(jī)交互，通過開發(fā)方便靈活的人機(jī)交互界面來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)專業(yè)軟件通過二次開發(fā)，建立方便用戶使用的交互界面。包括模型導(dǎo)入、零部件替換、自動(dòng)建模、外載荷建模和仿真結(jié)果處理五個(gè)功能。

槍械自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)仿真一體化能夠研究槍械典型機(jī)構(gòu)主被動(dòng)件的幾何特征、相互聯(lián)接關(guān)系、約束關(guān)系及作用在構(gòu)件上的主動(dòng)力，建立動(dòng)力學(xué)仿真模型所需的零部件拓?fù)潢P(guān)系、載荷數(shù)據(jù)表述規(guī)范。在此基礎(chǔ)上對(duì)Adams二次開發(fā)，形成槍械動(dòng)力學(xué)仿真自動(dòng)建模專用軟件，基于模板技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真涉及的主被動(dòng)件運(yùn)動(dòng)副、碰撞摩擦、約束、外載荷、傳感器等的自動(dòng)建立與加載。對(duì)已經(jīng)成熟的仿真模型，在拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)、零件的快速替換，為槍械改進(jìn)設(shè)計(jì)所需的動(dòng)力學(xué)仿真提供仿真模型重用及快速更新的方法手段。同時(shí)建立膛壓曲線數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載、比例縮放、截取等功能。

設(shè)計(jì)人員在UG環(huán)境下對(duì)槍械系統(tǒng)的各零部件進(jìn)行三維CAD建模，按照約定的命名規(guī)范對(duì)零部件進(jìn)行命名，在裝配環(huán)境下形成裝配體，并導(dǎo)入motion模塊進(jìn)行求解（此步驟的目的在于導(dǎo)出ADM格式），之后導(dǎo)出ADM格式文件（包含實(shí)體信息文件.xmt_txt和約束信息文件.adm）。根據(jù)指定槍械，建立其零部件間碰撞關(guān)系表，基于Adams環(huán)境開發(fā)接口，讀取該碰撞關(guān)系表所包含的碰撞信息，實(shí)現(xiàn)仿真模型中接觸關(guān)系的自動(dòng)添加；通過選取外部載荷文件，實(shí)現(xiàn)氣室壓力、膛壓的自動(dòng)加載。

當(dāng)仿真模型中零部件需要改變時(shí)，基于Adams環(huán)境開發(fā)相應(yīng)的接口，在保證原仿真模型零部件間的運(yùn)動(dòng)副、約束等關(guān)系等拓?fù)潢P(guān)系不變時(shí)，選取所需替換的零部件，導(dǎo)入外部修改好的零部件，實(shí)現(xiàn)零部件的自動(dòng)替換。選擇仿真腳本，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理分析查看，輸出仿真報(bào)告。

4 殺傷元侵徹明膠靶標(biāo)設(shè)計(jì)仿真一體化

基于VB與APDL的參數(shù)化建模方法，開發(fā)殺傷元侵徹明膠的參數(shù)化建模與仿真系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化建模、自動(dòng)求解及結(jié)果查看等，殺傷元侵徹明膠[7][8]的參數(shù)化建模與仿真系統(tǒng)主要由用戶界面模塊、材料管理模塊、APDL命令流模塊、ANSYS接口調(diào)用模塊、地址調(diào)用模塊、后處理調(diào)用模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)組成（圖5）。通過此系統(tǒng)，用戶只需在前臺(tái)界面的引導(dǎo)下選擇或輸入殺傷元和明膠幾何參數(shù)、材料參數(shù)、侵徹初始條件、求解參數(shù)等，系統(tǒng)將自動(dòng)完殺傷元侵徹明膠的參數(shù)化建模命令流的編輯，并通過后臺(tái)調(diào)用ANSYS，載入命令流文件進(jìn)行仿真計(jì)算，輸出結(jié)果。

5 結(jié)果與結(jié)論

①基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）與仿真數(shù)據(jù)管理（SDM）兩大系統(tǒng)集成，設(shè)計(jì)人員在PDM系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建并發(fā)起仿真任務(wù)，仿真人員在PDM系統(tǒng)內(nèi)接受仿真任務(wù)，SDM系統(tǒng)自動(dòng)同步創(chuàng)建仿真任務(wù)，當(dāng)審簽流程通過后，自動(dòng)觸發(fā)接口流程在當(dāng)前報(bào)告所屬的分析任務(wù)下創(chuàng)建分析報(bào)告對(duì)象，并將報(bào)告文件自動(dòng)檢入到SDM系統(tǒng)，該方案分析報(bào)告掛在SDM系統(tǒng)下對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象下，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)仿真流程上的一體化，很大程度便于設(shè)計(jì)仿真管理。②基于UG和Adams，開發(fā)槍械自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)仿真一體化，實(shí)現(xiàn)了包括零部件名稱的一致性、零部件間接觸關(guān)系的自動(dòng)建立、零部件參數(shù)修改及零部件替換、外載荷計(jì)算及自動(dòng)加載、仿真結(jié)果快速查看及仿真報(bào)告快速生成，減少了仿真模型的修改，實(shí)現(xiàn)槍械改進(jìn)設(shè)計(jì)后原動(dòng)力學(xué)仿真模型重用及模型快速更新。③基于VB和APDL的參數(shù)化建模方法，并設(shè)計(jì)與開發(fā)了球形和槍彈殺傷元侵徹明膠的數(shù)值仿真系統(tǒng)，有效的將ANSYS二次開發(fā)技術(shù)應(yīng)用于殺傷元侵徹明膠分析，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、自動(dòng)求解及結(jié)果查看等，為仿真分析人員碰到問題和不熟悉專業(yè)ANSYS/LS-DYNA軟件應(yīng)用之間的矛盾提供了有效的方法和途徑，對(duì)用戶而言，該系統(tǒng)方便易用、效率高。

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