徐 禮，毛保全，徐振輝，吳永亮

(裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072)

射擊密集度是衡量遙控武器站總體性能的重要指標(biāo)之一，采用多次試驗的方法可得到射擊密集度的估計值，但試驗需要花費大量的人力、物力和財力，特別是在遙控武器站的研制階段，武器結(jié)構(gòu)方案常常需要不斷修改，這更加增大了試驗的難度、經(jīng)費和周期，如何快速、準(zhǔn)確地預(yù)測其射擊密集度顯得非常重要，目前常用的方法是計算機模擬仿真。國內(nèi)已有不少人做過這方面的工作，如文獻[1]在考慮某型遙控武器站射擊精度影響因素的基礎(chǔ)上，采用ADAMS軟件計算了炮口振動參數(shù)，利用經(jīng)驗公式估算了射擊密集度。文獻[2]基于動力學(xué)分析軟件ADAMS建立了某榴彈發(fā)射器虛擬樣機，并仿真分析了發(fā)射系統(tǒng)射擊時的動力學(xué)特性。從上述研究成果看，其仿真過程中各CAD/CAE軟件之間的數(shù)據(jù)通信大多數(shù)都是通過手工操作完成，人工重復(fù)性勞動較多，數(shù)據(jù)傳遞容易出現(xiàn)錯誤，分析效率比較 低 。 本 文 基 于 多 學(xué) 科 協(xié) 同 集 成 優(yōu) 化 軟 件ModelCenter，運用多種CAE軟件的二次開發(fā)語言和C++編程語言，探討了一種射擊密集度快速計算方法，實現(xiàn)了從CAD參數(shù)化建模、有限元分析、動力學(xué)分析到射擊密集度計算全過程的自動化。

1 射擊密集度分析平臺組件

射擊密集度是彈著點的密集程度，遙控武器站射擊密集度計算分析流程一般包括遙控武器站三維實體建模、內(nèi)彈道計算、彈炮耦合動力學(xué)仿真、起始擾動計算、外彈道計算和射擊密集度計算等步驟，如圖1所示。

因此，遙控武器站射擊密集度分析平臺組件應(yīng)該包括三維實體建模組件、內(nèi)彈道計算組件、動力學(xué)仿真組件、起始擾動計算組件、六自由度外彈道計算組件和射擊密集度計算組件。

1.1 三維實體建模組件

三維實體模型是動力學(xué)分析和有限元分析的基礎(chǔ)，建立遙控武器站三維實體模型主要是確定結(jié)構(gòu)的外形尺寸及零部件之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系等。遙控武器站模型包括火力系統(tǒng)、觀瞄系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等部分的實體模型，各部分組成如圖2所示。

本文選用Pro/E建立遙控武器站各子系統(tǒng)的三維 實 體 模 型，并對部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化。ModelCenter提供了專門的Pro/E組件封裝插件，在Pro/E模型的基礎(chǔ)上可以方便快捷地提取模型中的參數(shù)并建立遙控武器站Pro/E模型組件，組件的運行結(jié)果為遙控武器站動力學(xué)仿真組件提供CAD模型文件。

1.2 內(nèi)彈道計算組件

內(nèi)彈道計算目的是得到遙控武器站射擊時膛內(nèi)火藥氣體壓力，為動力學(xué)模型提供主動力。目前常見的內(nèi)彈道模型主要有經(jīng)典內(nèi)彈道和兩相流內(nèi)彈道，本文以經(jīng)曲內(nèi)彈道模型為例，建立內(nèi)彈道模型組件。

首先，運用C++語言編程求解內(nèi)彈道方程組[3]，并編譯為可執(zhí)行文件(EXE文件)。內(nèi)彈道程序中的隨機數(shù)函數(shù)(產(chǎn)生服從正態(tài)分布的隨機數(shù))產(chǎn)生裝藥量、裝藥半徑、火藥力和彈丸質(zhì)量等隨機變量；內(nèi)彈道的初始條件、參數(shù)以數(shù)據(jù)文件形式作為程序的輸入文件，計算得到的火藥氣體壓力保存為數(shù)據(jù)文件格式作為動力學(xué)模型的輸入文件。

然后，利用ModelCenter的文件封裝功能，提取內(nèi)彈道輸入文件中的身管結(jié)構(gòu)、火藥性能等參數(shù)建立內(nèi)彈道模型組件，通過修改組件的參數(shù)可計算不同型號遙控武器射擊時膛內(nèi)火藥氣體壓力，從而提高了組件的通用性。

1.3 動力學(xué)仿真組件

動力學(xué)仿真分析的目的是通過建立可信度較高的發(fā)射動力學(xué)模型并進行仿真計算，得到遙控武器站彈丸及炮口的動態(tài)參數(shù)，為彈丸起始擾動計算提供基礎(chǔ)。因此，建立的發(fā)射動力學(xué)需要考慮彈炮耦合的影響以及身管、托架和耳軸等部件的彈性。本文在三維實體模型的基礎(chǔ)上運用多體動力學(xué)軟件ADAMS和有限元分析軟件Ansys建立集彈炮耦合和剛?cè)狁詈嫌谝惑w的遙控武器站發(fā)射動力學(xué)模型。

1.3.1 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

ADAMS采用模態(tài)柔性來表示物體的彈性,運用模態(tài)中性文件來描述。模態(tài)中性文件的生成可采用有限元求解器計算得到，本文采用Ansys生成模態(tài)中性文件，然后調(diào)用ADAMS/Flex模塊，把包含模態(tài)等信息的柔性體中性文件導(dǎo)入ADAMS軟件中，同時導(dǎo)入其它剛性體部件。根據(jù)各部件之間的運動關(guān)系添加約束，定義彈簧的剛度、阻尼等參數(shù)，主動力為內(nèi)彈道組件計算得到的火藥氣體壓力。

模態(tài)中性文件的生成是運用Ansys二次開發(fā)語言APDL編寫命令流文件實現(xiàn)的，ModelCenter通過封裝該類文件構(gòu)建生成身管、托架和耳軸等部件模態(tài)中性文件的組件。APDL文件的大部分代碼通過錄制ANSYS中的GUI操作生成，根據(jù)需要可修改部分代碼以提高組件的通用性，如定義身管、托架等部件的實體模型輸入路徑、模態(tài)中性文件的輸出路徑和有限元前處理工程文件的輸出路徑等。封裝時提取該文件中輸入輸出文件路徑、材料屬性、網(wǎng)格劃分精度、外部節(jié)點數(shù)和模態(tài)階數(shù)等參數(shù)。利用該組件可快速生成幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有變化的不同身管、托架等部件的模態(tài)中性文件。

1.3.2 彈炮耦合模型

身管振動與彈丸的運動是相互影響的,彈丸在膛內(nèi)運動伴隨著彈丸前定心部和彈帶與身管內(nèi)壁的接觸、碰撞[4]。本文建立的彈炮耦合模型將身管考慮為柔性體、彈丸為剛體，利用ADAMS軟件中的彈性體-剛體接觸/碰撞定義彈丸與身管之間的約束關(guān)系。

1.3.3 發(fā)射動力學(xué)組件的封裝

在ADAMS中建立剛?cè)狁詈虾蛷椗隈詈蟿恿W(xué)模型后，導(dǎo)出模型為cmd文件，它包含模型完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息(所有幾何信息)、模型仿真信息，由cmd語言編寫，可對其進行修改，實現(xiàn)自動建模和仿真控制。 在該cmd文件中添加testdata read和iges read命令，實現(xiàn)火藥氣體壓力和幾何模型的自動讀取；添加numeric_results write和fea_loads write命令，實現(xiàn)出膛口瞬間彈丸的動態(tài)參數(shù)和耳軸、架座和身管等零部件的載荷數(shù)據(jù)自動輸出。

修改完cmd文件后，運用Modelcenter文件封裝功能，提取文件中的仿真時間、步長和柔性體節(jié)點上的載荷作用時間等數(shù)據(jù)作為參數(shù)，完成發(fā)射動力學(xué)仿真組件的封裝。

1.4 起始擾動計算組件

(1)

(2)

上述方程的求解可采用C++語言編程實現(xiàn)，組件的封裝與內(nèi)彈道計算組件的封裝方法相同。

1.5 六自由度外彈道模型

建立六自由度外彈道模型的目的是計算每一發(fā)彈丸落點的坐標(biāo)。模型的輸入文件為包含彈丸起始擾動組件計算得到的彈丸起始偏角、起始章動角和章動角速度等起始擾動值以及彈丸質(zhì)量、彈長、直徑、偏心和彈管間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)據(jù)文件。

六自由度外彈道方程可參考文獻[7]，方程的求解采用C++語言編程實現(xiàn)，程序中包含隨機數(shù)函數(shù),產(chǎn)生彈丸起始擾動、氣象條件和彈丸結(jié)構(gòu)等參數(shù)的隨機變量。組件的封裝與內(nèi)彈道計算組件的封裝方法相同。

1.6 射擊密集模型

本文建立的射擊密集度模型是計算遙控武器站200 mm立靶密集度，立靶密集度一般用方位向中間誤差Ey和高低向中間誤差Ez來表示，即[3]:

(3)

模型的求解采用C+ +語言編程實現(xiàn)，模型的輸入文件為六自由度外彈道模型的輸出文件，輸出文件為遙控武器站立靶密集度計算值。組件的封裝方法與內(nèi)彈道計算組件的封裝相同。

2 平臺集成

通過上述步驟建立了9個與射擊密集度計算相關(guān)的組件，將所有封裝好的組件導(dǎo)入ModelCenter的服務(wù)器端(AS)，以便其他客戶端用戶使用這些組件搭建不同的分析流程。

依據(jù)圖 1所示流程 ，將服務(wù)器端 的組件基于ModelCenter進行系統(tǒng)集成，形成遙控武器站射擊密集度分析平臺。該平臺具有如下優(yōu)點：

1)ModelCenter自動調(diào)用Pro/E、Ansys、ADAMS軟件和自編程序，各軟件采用后臺運行方式，大大節(jié)省了計算時間。

2)各CAD/CAE軟件和自編程序之間的數(shù)據(jù)自動傳遞，數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)丟失或傳遞錯誤的現(xiàn)象，提高了仿真分析的效率和準(zhǔn)確度。

3)由于采用參數(shù)化建模技術(shù)，通過改變平臺各組件的參數(shù)可以快速計算不同結(jié)構(gòu)的遙控武器站在不同射擊條件下的射擊密集度。

4)平臺具有較強的擴展性，可開發(fā)其它類型火炮的發(fā)射動力學(xué)仿真組件集成到平臺中，計算其射擊密集度。

3 計算實例

以某自動炮遙控武器站為例，運用上述分析平臺，進行遙控武器站射擊密集度計算分析。

仿真射擊發(fā)數(shù)為10發(fā)，射角為0°。圖3～圖5分別為彈丸速度、角位移和轉(zhuǎn)速曲線，各圖由每發(fā)彈丸的運動特性曲線疊加一起繪制而成。圖6為炮口方位向振動位移和加速度曲線, 圖7為炮口高低向振動位移和加速度曲線，圖8為炮口方位向振動角速度和角加速度曲線。

動力學(xué)仿真組件將自動記錄各曲線中每發(fā)彈丸出炮口瞬間的運動參數(shù)及此時刻炮口的振動參數(shù)，傳遞給起始擾動計算組件，并通過起始擾動計算得到彈丸起始擾動值并進行外彈道計算。最后由射擊密集度計算組件得到該遙控武器站立靶密集度為1.17×0.82 mil。

4 結(jié) 論

本文基于多學(xué)科集成優(yōu)化軟件 Modelcenter，建立了遙控武器站射擊密集度分析平臺，并對某遙控武器站射擊密集度進行了分析計算。研究結(jié)果表明，該平臺可快速、準(zhǔn)確地預(yù)測遙控武器站射擊密集度，并為遙控武器站動力學(xué)優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

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