基于ADAMS的碰撞仿真的自動步槍動力學模型研究

摘 要:基于ADAMS軟件提出了一種多接觸動力學仿真方法，該方法可較好處理多體接觸問題。運用該方法建立了某自動步槍的動力學模型并獲得了數值仿真結果。

關鍵詞:仿真接觸自動步槍

中圖分類號:TJ22文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0017-02

Abstract:The simulation method is brought forward on the ADAMS software， so as to successfully obtain the solution of these dynamic multi-contacts models.The dynamics model of the automatic rifle is built and the numerical simulations of firing processes are obtained.

Key words:simulation;contacts;automatic rifle

1引言

碰撞是自動武器工作時最常見現象，自動武器是以高溫、高壓、瞬變火藥氣體為動力工作的強動載機械，自動武器每發射一發子彈，各構件將發生多次碰撞，幾乎是在撞擊狀態下完成自動機循環過程即能量傳遞過程。自動武器為了完成自動循環射擊動作而又不使其整體質量、體積太大，每個構件必須在較小的空間尺寸條件下“身兼數職”，并且各構件之間動作的協調和運動的平穩傳遞，也必須有相應的結構形狀來加以保證，這樣就使得槍械零件極不規則，很多情況下是靠零件的復雜輪廓傳遞運動和力。因此，研究復雜零件碰撞仿真方法對自動武器建模仿真有一定意義。

2接觸動力學[1][2]

2.1 接觸區域的離散化和接觸的判別[1][2]

根據赫茲理論，處于彈性半空間內的接觸體之間的接觸發生在一個接觸區域內，而接觸區域通常很難確定，應對接觸面進行離散化處理。ADAMS中采用對稱點面接觸法來離散接觸區域，接觸區域的離散通過實體模型的集合屬性進行。每一個零件都有一個形體(Shell)屬性，每一個Shell屬性和一個Shell文件相關聯。其中形體是通過很多多面體進行布爾運算拼接而成，Shell文件在三維實體創建過程中自動生成，記錄包含所有節點的坐標和編號，并隨形體的運動而發生相應改變。

兩物體的接觸判斷基于非穿透條件，即相互接觸的兩個物體不能相互嵌入。確定接觸點與目標面之間的間隙或接觸穿透是通過把接觸點向法向投影獲得。節點與投影點的直線距離，如果直線距離小于0，說明接觸發生了。反之，表示兩個接觸體處于分離狀態。

2.2 ADAMS中的碰撞力學模型

ADAMS中有泊松模型和接觸函數模型兩種，期區別主要是在法向接觸力的計算上，它們的接觸約束方程和接觸摩擦力的計算是相同的。

2.2.1 泊松模型

泊松模型中有兩個重要參數:恢復系數和罰因子。根據經典碰撞理論，恢復系數定義為物體在碰撞點碰撞前后的相對速度在接觸面公法線方向投影的比值?；謴拖禂档挠嬎愎饺缦?

(1)

其中——碰撞點處的公法線單位矢量;

——剛體A和剛體B在碰撞前的速度;

——剛體A和剛體B在碰撞后的速度。

實驗分析表明，恢復系數的值與碰撞體的質量、形狀及其相對速度有關。但在實際計算中，人們常常將恢復系數僅看作與相接觸的材料特性有關。

罰因子是一個與瞬時穿透深度、剛度有關的因數。

泊松模型的法向接觸力公式如下:

(2)

其中——兩接觸物體的瞬時穿透量;

——表示碰撞后兩物體的分離速度。

當罰因子時，式(2)滿足非穿透條件。但過大的罰因子會引起方程的病態，所以，在進行迭代計算中，引入了拉格郎日乘子，方程(2)改寫為:

(3)

其中——迭代系數。

2.2.2 接觸函數模型

等效彈簧阻尼法將接觸變形假設為等效彈簧—阻尼模型，假設變形限制在接觸區內，彈簧接觸力根據Hertz接觸規律確定，接觸過程的能量損失由一個與彈簧平行的阻尼器確定。等效彈簧阻尼法通過求解動力學微分方程來計算接觸。

接觸函數模型中的法向接觸力公式如下:

(4)

其中——彈簧剛度系數;

——兩接觸物體的瞬時穿透量;

——作用力指數;

——阻尼系數。

當碰撞速度較高時，按公式(4)計算的結果偏差較大，因此對阻尼的處理需進行一定的修正。

(5)

其中——接觸點最大變形量;

——最大阻尼系數;

——線性函數，使得當阻尼系數隨接觸變形量的增加而線性增大，當瞬時穿透量為最大時，阻尼系數取最大，避免了當接觸開始時出現的非零阻尼力。

3復雜零件碰撞處理方法及仿真算例

ADAMS軟件提供有創建幾何模型的部件庫，但造型功能不強。自動武器系統通常結構較為復雜，很多零件結構由眾多高級實體特征組成。這樣直接在ADAMS中建立模型難以實現。通常的做法是先在三維造型軟件中建立三維實體模型，然后利用ADAMS提供的模型轉換模塊ADAMS/Exchange傳遞模型。ADAMS提供了與三維造型軟件Pro/ENGINEER無縫連接的接口，這樣在Pro/ENGINEER應用環境就可以將裝配完畢的自動武器根據其部件間運動關系定義模型，然后將模型傳送到ADAMS/View中進行動力學分析。

ADAMS是借助Unigraphic公司的Parasolid幾何引擎來處理外部三維實體，接觸的處理主要是接觸判斷、滲透量的計算。選擇Parasolid引擎時，其默認的方法為Joe方法。首先對碰撞區域進行網格劃分，計算每個三角面片的法線方向。然后對網格區域的每個法線方向進行規格化處理，得到作用力方向。穿透量由下式得到:

(6)

其中:為碰撞區域體積，認為此區域為平行六面體;為相交區域的面積。運用上式可得到穿透量，其對時間的導數為穿透速度。

為了真實進行自動武器仿真就要盡可能定義實體接觸，而提高仿真精度主要取決于幾何形體輪廓的精確度，要提高仿真精度，就必須提高圖形轉換時的精度。圖是不同精度轉換到ADAMS環境中比較圖。導入的實體是由STL文件導進來的，STL文件所描述的形體表面是用小的三角形面片組成的，由離散點形成的曲線是樣條曲線，由其弦組成的三角形則是實體的邊界，并不是光滑的曲面，如果導入圖形精度較低，不但降低仿真精度有時甚至會導致仿真失敗。

通過研究發現，在Pro/ENGINEER的MECH/Pro菜單下向ADAMS傳遞模型時，采用相同的輸出精度，同一部件在只有一個剛體情況下輸出圖形精度要高于該部件在有多個剛體情況下輸出的圖形精度。這樣為了提高仿真精度，對于那些參與碰撞的零部件將它們分別作為單個剛體輸出圖形文件，然后將生成的圖形文件替換掉原先的圖形文件即可。

以某自動步槍為例，進行四連發仿真計算，圖2給出了自動機v-t曲線，從圖2中可看出該步槍實現對射擊頻率的特殊要求。

4 結語

基于ADAMS軟件提出了一種多接觸動力學仿真方法，該方法可較好處理多體接觸問題。運用該方法可提高自動武器動力學仿真的精度。

參考文獻

[1]G.M.Gladwell著，范天佑譯，經典彈性理論中的接觸問題[M].北京:北京理工大學出版社，1991.

[2]梁敏，洪嘉振，劉延柱.多剛體系統碰撞動力學方程及可解性判別準則[J].應用力學學報，Vol8 No.1，1991.

[3]三維建模中碰撞檢測技術的基本算法研究張云哲[J]．科技創新導報，2010，24：15．