黃書偉，曹紅松，苑大威，劉伊華，李瑞靜

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051；2.中國兵器工業(yè)第208研究所，北京 102202；3.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

基于ADAMS自動機動力學仿真快速建模技術研究

黃書偉1，曹紅松1，苑大威2，劉伊華2，李瑞靜3

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原030051；2.中國兵器工業(yè)第208研究所，北京102202；3.西北機電工程研究所，陜西 咸陽712099)

為自動機改進設計所需的動力學仿真提供仿真模型重用及快速更新的方法手段，運用MSC ADAMS的二次開發(fā)功能建立自動機動力學仿真快速建模模塊，該模塊包含模型傳遞、接觸關系自動建模、載荷自動加載及處理、仿真結果快速查看功能，能夠針對不同型號的自動機進行動力學仿真模型的快速建立，提高自動機動力學仿真的建模效率，有利于縮短產品開發(fā)周期、降低產品開發(fā)成本。

自動機；動力學；建模；命名；ADAMS

自動武器機構復雜，零件數(shù)量多，動態(tài)特性明顯，工作條件惡劣[1]，射擊過程中容易出現(xiàn)卡殼、偶發(fā)火等故障，通常需要在研發(fā)過程中對開閉鎖機構、自動機等關鍵機構進行動力學仿真分析，分析其動作可靠性及運動性能。

在運用MSC ADAMS進行自動機動力學仿真時，由于自動機零件外形結構復雜[2]，可利用CAD軟件完成三維建模導入，然后導入到MSC ADAMS中。目前常采用UG進行三維模型的建立，對于UG中形成的裝配體導入到MSC ADAMS中后，MSC ADAMS自帶的命名規(guī)則會對導入裝配模型的各零部件進行重命名，使其名稱與UG環(huán)境下的名稱失去一致性，設計人員需要手動修改各零部件名稱，這是一個比較繁瑣的工作過程；火炮自動機中很多零部件之間都是相互碰撞的關系，撞擊可以通過較簡單的結構完成復雜的運動，使武器的結構設計簡單化[3]，通常情況下設計人員需要手動為其添加接觸關系。對于載荷及約束條件的加載、零部件的修改與替換等也比較復雜。

筆者主要針對模型名稱傳遞、接觸關系自動建模、零部件快速替換、柔性體快速建立及載荷的自動加載及處理的相關技術進行了研究，通過對其進行專業(yè)領域的二次開發(fā)[4]，開發(fā)自動機動力學仿真快速建模軟件，可方便設計人員進行動力學仿真模型的建立。

1 自動機動力學仿真快速建模方案

該快速建模技術的目標是針對不同型號的火炮自動機進行動力學仿真模型快速建模，自動實現(xiàn)自動機各零部件名稱的傳遞，保證不同軟件平臺下火炮自動機各零部件名稱的一致性；能夠自動批量創(chuàng)建零部件之間的接觸關系，省去不必要的重復性操作；在保證拓撲關系不變的情況下進行零部件快速替換或柔性體創(chuàng)建，實現(xiàn)剛柔耦合；能夠對關鍵零部件的仿真結果進行快速查看。通過編程以及對ADAMS的二次開發(fā)，形成自動機動力學仿真快速建模軟件，以提高建模效率，為設計人員節(jié)省大量時間。

1.1快速建模軟件的總體架構

自動機動力學仿真快速建模軟件采用4層體系結構，即交互層、接口層、數(shù)據層和驅動層，其體系結構如圖1所示。為提高平臺的可靠性、靈活性和交互性，擬在現(xiàn)有CAD、CAE軟件基礎上進行二次開發(fā)，采用UG構建三維實體模型。

1)驅動層是構建整個平臺的數(shù)據管理、虛擬樣機仿真、所有軟硬件條件，UG軟件完成零部件三維建模，MSCADAMS實現(xiàn)動力學仿真。

2)數(shù)據層包括膛壓曲線數(shù)據庫和仿真報告模板，在后續(xù)仿真工作中可直接從數(shù)據庫中選取膛壓曲線進行導入，最終的仿真報告可調用對話框快速生成。

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

4)交互層負責人機交互，通過開發(fā)方便靈活的人機交互界面來實現(xiàn)，對專業(yè)軟件通過二次開發(fā)，建立方便用戶使用的交互界面。包括模型處理、外載荷建模和仿真結果處理3個模塊。

1.2快速建模流程

該快速建模模塊的名稱傳遞、接觸關系自動建立、仿真模型零部件替換、載荷自動加載及處理及仿真結果快速查看等功能主要通過菜單和對話框的方式實現(xiàn)，仿真流程如圖2所示。

該快速建模模塊的設計主要分為兩部分：外部可執(zhí)行程序和基于MSCADAMS開發(fā)的菜單和對話框。通過外部可執(zhí)行程序的不同模塊可分別實現(xiàn)零部件名稱的一致性及接觸關系自動加載功能；通過基于MSCADAMS開發(fā)的菜單對話框可以實現(xiàn)零部件修改替換和柔性體的創(chuàng)建、載荷自動加載、處理及仿真結果快速查看等功能。

2 功能分析及實現(xiàn)

該系統(tǒng)的功能模塊主要包括3部分：模型處理、外載荷建模和仿真結果處理。具體功能如圖3所示。

2.1模型名稱傳遞

自動機動力學仿真模型的快速建立可通過執(zhí)行外部的應用程序及菜單對話框來實現(xiàn)。設計人員在UG環(huán)境下對火炮自動機的各零部件進行三維CAD建模，按照約定的命名規(guī)范對零部件進行命名，在裝配環(huán)境下形成裝配體，在motion模塊中進行求解并導出ADM格式文件。

基于MSCADAMS環(huán)境，定制開發(fā)火炮自動機動力學仿真快速建模模塊。該模塊能夠自動讀入UG導出的自動機零部件與名稱信息，實現(xiàn)在MSCADAMS環(huán)境中火炮自動機系統(tǒng)仿真模型的自動建立，并按照UG環(huán)境下已給定的名稱對各零部件自動命名，實現(xiàn)名稱一致性。

名稱一致性功能主要由C語言實現(xiàn)，部分代碼如下：

strFilename1=dlg.GetFileName();

……

通過GetFileName()獲取文件名稱從而讀取文件。

for(intj=0;j

{

……

通過以上語句對ADM文件進行讀取和處理，實現(xiàn)模型名稱的傳遞。

2.2接觸關系自動建模的實現(xiàn)

為實現(xiàn)自動機系統(tǒng)中各零部件間接觸關系的自動加載，需要根據指定型號自動機，建立其零部件間碰撞關系表，基于MSCADAMS環(huán)境開發(fā)接口[5]，讀取該碰撞關系表所包含的碰撞信息，自動添加仿真模型中的運動副和約束。

接觸的自動建立主要是針對UG環(huán)境下形成的裝配體導入該模塊后，能夠根據火炮自動機系統(tǒng)中各構件的拓撲關系自動建立接觸關系。該碰撞關系表的樣式如表1所示,以橫或列為基準，若兩構件間存在碰撞關系，則以符號“√”表示。

表1 碰撞關系表

實現(xiàn)接觸關系自動加載功能主要由C語言實現(xiàn)，部分代碼如下：

……

str2=str1.c_str();

m_list.InsertColumn(tt1," ",LVCFMT_LEFT,60);

m_list.InsertItem(t,str2);

……

2.3零部件替換的實現(xiàn)

零部件替換模塊主要考慮到在產品設計過程中，有時候需要對某一零部件進行修改或重新設計，這時候若能夠保證在整個裝配模型拓撲關系不變的情況下對該零部件進行替換，則能夠極大提高工作效率、減輕工作強度。

零部件替換功能可以借助對話框來實現(xiàn)，指定需要替換的零部件，導入外部修改后的零件實體信息，即能在不改變拓撲關系的情況下實現(xiàn)所需零部件的替換。

實現(xiàn)零部件替換的部分命令如下：

part_name= $field_3

entitymodifyentity=(eval(S))new=$field_2

interfacetreerefresh=true!---UPDATE

TREEVIEW

……

2.4柔性體創(chuàng)建

考慮到自動機工作過程中相關零部件會產生彈性變形，若全部采用剛體模型進行動力學仿真則不能真實地體現(xiàn)自動機的運動情況，必要時可使用柔性體對相關部件進行替換或對相關部件進行柔性化處理，以便更接近自動機的真實運動情況[6]。

柔性體的創(chuàng)建可以借助對話框進行實現(xiàn)，利用MSCADAMS的二次開發(fā)功能，調用柔性體創(chuàng)建對話框，指定需要柔性化的零部件，在不改變拓撲關系的情況下實現(xiàn)指定零部件的柔性化。

調用對話框命令語句如下：

CMD=intdiadispdia=.gui.make_flexible

通過以上語句即可調用相應對話框，實現(xiàn)相關零部件柔性化。

2.5載荷自動加載及處理

載荷自動加載及處理主要針對后續(xù)仿真分析所需要的力進行導入，如膛壓、導氣室壓力、抽殼阻力、外部驅動力等。對于膛壓，可以在外部的專業(yè)模塊進行計算后進行導入，或者從膛壓曲線庫中選取，這里需要建立一個膛壓曲線數(shù)據庫，收錄常用的膛壓曲線，再根據需要進行適當?shù)慕厝』虬幢壤s放。

實現(xiàn)載荷處理的部分命令如下：

……

!managegraphicforces(type0=none1=firstbody2=secondbody)

mdigraphic_forceobject= $field_1type=1

使用MSCADAMS自帶的命令語言，定制專用菜單對話框可實現(xiàn)對膛壓曲線的截取、縮放等功能，提高火炮自動機動力學仿真效率。

3 MSC ADAMS中交互功能的實現(xiàn)

現(xiàn)以某型號火炮自動機為例，進行動力學仿真模型快速建模模塊的功能驗證。

3.1模型名稱傳遞

在如圖4所示的命名處理界面，選取相應文件后，依次點擊“創(chuàng)建新的動力學模型文件”和“創(chuàng)建ADAMS模型”，即可建立所需動力學仿真模型。

經過必要的處理后，導入到MSCADAMS中的模型各零部件名稱的一致性得以保證，如圖5所示。

3.2接觸關系自動建模

單擊“接觸處理”標簽，進入接觸處理模塊，以橫標題或縱標題為基準，在相互之間有接觸關系的兩零部件對應的單元格內打勾，如圖6所示，單擊“確定”輸出接觸關系文件。

在仿真平臺中單擊GunDynamic主菜單，選擇下拉菜單Model中的Contacts，彈出接觸對話框，選取輸出的接觸關系文件單擊“確定”按鈕，即可自動批量建立零部件間的接觸關系。

3.3載荷自動加載及處理

進行仿真之前，需要添加必要的約束和載荷，如導氣室壓力、抽殼阻力等，若為外能源自動機則需調用外部驅動力曲線。

導氣式壓力和抽殼阻力是一個計算模塊，方便設計人員快速計算，膛壓可利用外部計算或試驗數(shù)據，計算和加載界面如圖7～8所示。

單擊相應菜單即可彈出抽殼阻力計算或外部驅動力導入對話框。在此以膛壓曲線為例對載荷處理功能進行說明，在仿真平臺中單擊GunDynamic主菜單，選擇下拉菜單Gunpressure中的import，導入預置的膛壓曲線。

單擊Gunpressure中的cut及scale菜單，可實現(xiàn)對膛壓曲線的縮放及截取操作，調用曲線處理對話框并設置好相關參數(shù)，如縮放比例為1.2倍，截取截止時間為2ms，如圖9所示，點擊OK按鈕即可完成設置并進行仿真。

處理后曲線對比圖如圖10所示，SFORCE_2為原始曲線，SFORCE_1為擴大1.2倍并截取2ms的曲線，SFORCE_3為擴大1.2倍的曲線。

處理后的曲線可直接用于仿真，以適用于不同長度及藥室容積的身管。

3.4零部件快速替換

當仿真結果不合理或需對相關零部件進行修改時，可以通過定制的菜單對話框在保證整個裝配模型拓撲關系不變的情況下對該零部件進行替換，極大地提高工作效率、減輕工作強度。

在仿真平臺中單擊GunDynamic主菜單，選擇下拉菜單Model中的Partreplace，通過對話框完成指定零部件的快速替換，如圖11所示。

3.5柔性體創(chuàng)建

考慮到自動機的真實運動情況，需要對相關零部件進行柔性化處理，即用柔性體代替剛體模型，提高仿真精度。

在仿真平臺界面單擊GunDynamic主菜單，選擇Model下的Partmakeflexible菜單，調用相應對話框實現(xiàn)相關零部件的柔性化，如圖12所示。

單擊CreateNew按鈕，選擇需要柔性化的零部件使其變成柔性體，結果如圖13所示。

由圖13可以看到，相應的零部件經過柔性化處理后，對應的剛體模型則會失效，取而代之的是新建的柔性體，進行剛柔耦合。

3.6仿真結果快速查看

求解完畢后，點擊相應菜單調用定制對話框，可以快速查看相關部件的速度、角速度等關鍵參數(shù)，仿真結果快速查看界面如圖14所示。

通過名稱、接觸、載荷等處理后可快速進行動力學仿真，極大地提高了設計人員的工作效率，有利于縮短產品開發(fā)周期[7]。

4 結束語

對MSCADAMS進行二次開發(fā)得到的自動機動力學仿真模型快速建模模塊，很好地解決了三維模型導入MSCADAMS中出現(xiàn)的名稱不一致、大量接觸關系的建立、仿真模型零部件替換及相關零部件的柔性體建立等問題，同時該快速建模模塊操作簡便、通用性好，具有很高的實用性，節(jié)省了設計人員的時間，提高了工作效率，為設計人員提供了很大的便利。

References)

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[3] 曾晉春，楊國來，王曉峰.某火炮虛擬樣機自動建模與仿真[J].火炮發(fā)射與控制學報，2008(1)：42-45. ZENG Jinchun，YANG Guolai，WANG Xiaofeng. Virtual prototype modeling and simulation of gun automat[J]. Journal of Gun Launch & Control，2008(1)：42-45.(in Chinese)

[4] 王亞平，王永娟，徐誠，等.自動武器動力學仿真平臺ADAMS/GUN 的設計與實現(xiàn)[J].兵工學報，2007,28(9)：1041-1045. WANG Yaping,WANG Yongjuan,XU Cheng,et al. The design and realization in the special dynamical simulation system ADAMS/GUN for automatic weapon[J]. Acta Armamentarii,2007,28(9):1041-1045. (in Chinese)

[5] 沈冠軍，曹紅松，白友平，等.火炮自動機仿真優(yōu)化平臺開發(fā)技術研究[J].火炮發(fā)射與控制學報，2012(3)：76-80. SHEN Guanjun，CAO Hongsong，BAI Youping，et al. Research on gun automatic mechanism simulation and optimization platform[J] Journal of Gun Launch & Control，2012(3)：76-80. (in Chinese)

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[7] 賀飛，曹紅松，王泉，等.基于MSC Adams/Engine的發(fā)動機懸置系統(tǒng)優(yōu)化設計通用模塊[J].計算機輔助工程，2010，19(1)：32-35. HE Fei，CAO Hongsong，WANG Quan，et al. Common module for optimization design of engine mounting system based on MSC Adams/Engine[J].Computer Aided Engineering，2010，19(1)：32-35. (in Chinese)

ResearchonRapidModelingofAutomaticMechanismDynamicsSimulationBasedonADAMS

HUANG Shuwei1，CAO Hongsong1，YUAN Dawei2，LIU Yihua2，LI Ruijing3

(1.School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan030051，Shanxi，China；2.No.208Research Institute of China Ordnance Industries，Beijing102202，China；3.Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering，Xianyang712099，Shaanxi,China)

For the purposes of providing methods and means for model reusing and rapid updating in the dynamics simulation required by design developments of automatic mechanism, the rapid modeling module of automatic mechanism was established based on the secondary development of MSC ADAMS, which contains functions of model transfer, automatic building of contacts, automatic building and processing of load，and quick review of simulation results. The module can be used to rapidly build a dynamics simulation model according to the types of automatic mechanism, which increases efficiency of automatic mechanism dynamics simulation, and which will be helpful to shortening the development cycle time and reducing development cost.

automatic mechanism; dynamics; modeling; naming; ADAMS

TP391.9

： A

：1673-6524(2017)03-0031-06

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.007

2016-09-26

黃書偉(1992—)，男，碩士研究生，主要從事武器動力學仿真技術研究。E-mail：756627389@qq.com