梁振剛 孫文才 劉 澎 李 睿 李佳泓

(沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159)

1背景與意義

武器彈藥的真實展示和實驗具有危險性高、不易操作和實驗現(xiàn)象難以捕捉的特點，在兵器學科的多個專業(yè)課程教學中，教師無法真實呈現(xiàn)與課程相關(guān)的模型及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，而且課程實驗也很難操作和實現(xiàn)，這嚴重影響了課程的教學效果和學生的學習興趣。虛擬仿真技術(shù)由于其自由度高、交互性強、仿真度高、無器材消耗等優(yōu)點，在高校教育中開始得到廣泛的應(yīng)用。如今，仿真實訓成為實訓教學重要的組成部分和提高教學質(zhì)量的重要手段。將虛擬仿真技術(shù)引入課堂，通過應(yīng)用虛擬仿真教學軟件，可實現(xiàn)教學中真實的零部件及其復(fù)雜的工作過程的虛擬展示，為學生體驗更真實和近距離觀察自動武器工作過程提供了可能，同時也可以讓學生更加直觀的了解自動武器的工作原理，這既方便了教師上課講解，也便于學生的課后復(fù)習。

在自動武器結(jié)構(gòu)設(shè)計課程中，大口徑機槍是一種典型的自動武器，目前，大口徑機槍各零部件結(jié)構(gòu)和工作原理展示多以平面剖視圖為主，缺乏動態(tài)演示，對于空間感不強的同學來說理解起來十分困難。并且機槍屬于管制武器，發(fā)射過程的真實演示具有高危險性，機槍的射速大約600發(fā)/min，發(fā)射過程瞬間完成，并且發(fā)射過程中外部有殼體遮擋，很難看清發(fā)射過程時的機構(gòu)動作，所以使用真實機槍進行教學演示不具有可能性。而單純依靠圖片和語言教學又難以讓學生完全理解機槍的工作原理。所以我們希望通過建立大口徑機槍三維動態(tài)模型，使講解方式由圖片加文字的靜態(tài)教學變?yōu)橐子诶斫獾膭討B(tài)展示。動態(tài)展示不僅僅是簡單的動畫演示，而是以數(shù)學模型為基礎(chǔ)的虛擬運動仿真，可以最大限度的符合真實情況，使學生們能夠仔細觀察到機槍組成結(jié)構(gòu)、各個零件的細節(jié)特征和發(fā)射過程中任意時段機構(gòu)運動過程。

在工業(yè)領(lǐng)域虛擬仿真早已嶄露頭角，西門子打造了制造虛實“雙胞胎”流水線，通過虛擬仿真技術(shù)遠程展現(xiàn)實際流水工況和數(shù)據(jù)。2016年初，羅克韋爾?柯林斯與美國虛擬仿真軟件公司W(wǎng)orldViz合作開展維修培訓器項目。

虛擬仿真產(chǎn)業(yè)即將駛?cè)氚l(fā)展快車道，目前美國的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在國際上處于領(lǐng)先地位，已成為業(yè)界標桿，其他國家如英國、德國、日本基本與其大同小異?？v觀各國發(fā)展態(tài)勢，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展已在科學實驗、仿真模擬等方面落地生根，并呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢。

實踐證明，在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中對諸軍兵種進行聯(lián)合戰(zhàn)役訓練能夠極大地提高參展部隊的作戰(zhàn)能力，并能縮減武器的研發(fā)和實訓階段的費用。據(jù)悉，美國第四代戰(zhàn)斗機F-22和JSF在研制全周期中，由于采用了虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)了3D數(shù)字化設(shè)計，使得研發(fā)周期縮短50%，節(jié)省研發(fā)經(jīng)費93%。

2主要方法及其創(chuàng)新點

2.1主要方法

(1)在對典型大口徑機槍結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，確定機槍主要零部件組成及各零部件結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

(2)用UG分別對各零部件進行建模并裝配成一個整體，得到大口徑機槍機構(gòu)的整機模型。將UG模型轉(zhuǎn)化為3D MAX可識別的模型并進行附材質(zhì)、渲染，導(dǎo)出為FBX格式。

(3)分析大口徑機槍工作原理，建立各機構(gòu)動作的運動仿真數(shù)學模型。

(4)將三維模型導(dǎo)入Unity 3D，結(jié)合運動仿真數(shù)學模型，應(yīng)用可視化技術(shù)——編程實現(xiàn)大口徑機槍發(fā)射虛擬運動仿真軟件設(shè)計。

2.2創(chuàng)新點

通過建立數(shù)學仿真模型，能夠模擬大口徑機槍真實發(fā)射過程，用來解決傳統(tǒng)教學中硬件資源不足的問題。項目中的動態(tài)展示不僅是簡單的動畫展示，而是基于實際情況的真實模擬。動態(tài)展示中不僅可以觀察到機構(gòu)的細節(jié)特征，也可以觀察到任一發(fā)射時期的機構(gòu)運動過程。通過發(fā)射原理動態(tài)展示，可以加深學生對發(fā)射原理理解。此外，既能讓教師在課上通過電腦演示方便學生理解，也能將程序發(fā)給學生，讓學生反復(fù)觀察加深對大口徑機槍結(jié)構(gòu)細節(jié)及其工作原理的理解，兼具娛樂性的同時提高教學質(zhì)量。

3收獲和體會

在研究方面，最深的體會就是要勤于思考，主動進行實踐環(huán)節(jié)。創(chuàng)新性試驗并沒有已有的模板可以按部就班，需要一步步的計劃并且在實施過程中進行協(xié)調(diào)。每一個環(huán)節(jié)都需要獨立的思考和大家共同的參與與配合。在創(chuàng)新方面，重在明確創(chuàng)新的方向和目標。在多次的反復(fù)協(xié)商討論后，我們達成一致的意見，之后的所有工作都圍繞它開展。我們用盡可能科學的方法，進行了相關(guān)的模型分析，對于數(shù)據(jù)來源嚴格把關(guān)，盡可能確保每一份問卷的真實性與有效性。對于獲得的數(shù)據(jù)，進行了后期的分析與挖掘，以得出可信度高的結(jié)果。最后，任何一個突破性、創(chuàng)新性的成就都是從“平凡有點枯燥”的過程中一步步得出來的。在這次實訓中，我們學會了理論聯(lián)系實際，不僅加強了對專業(yè)知識的理解與運用，也學會了迎難而上，同時還有堅持不懈的務(wù)實態(tài)度和團隊協(xié)作的精神，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓成為了我們成長過程中的寶貴經(jīng)驗和財富。

實踐是學習知識最好的方法，它能教會我們很多書本上永遠闡釋不出的東西。我們體會最深的是要勤于思考，要善于從不同角度分析問題。在創(chuàng)新方面，首先要確定創(chuàng)新的方向和目標，始終圍繞創(chuàng)新點，不能偏離主題，也不能隨意猜測，而要有根據(jù)、有目的地做出假設(shè)，再一步步通過實踐去論證自己的猜測。其實，每一個偉大的成就都是這樣“平凡”地一步一步實現(xiàn)的。該項目真正做起來才發(fā)現(xiàn)并不那么容易，需要做很多的工作，并且這些工作都還需要很大的耐心和毅力。比如早期的文獻查閱、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)大算及其分析、模型構(gòu)建。整個過程中我認識到做科研必須具有一絲不茍的嚴謹態(tài)度，要本著對科研負責、對科學負責的態(tài)度，進行自己的研究。