輕武器設計仿真一體化技術研究

劉伊華 李鴿 朱鏡麗

摘要：本文基于槍械自動機動力學、殺傷元侵徹靶板等較為成熟的仿真工作，提煉總結其規律性，將繁瑣的重復工作封裝開發到程序中，完成仿真建模自動化，從而提高仿真分析速度，在設計仿真技術層面實現一體化；同時將輕武器產品管理系統（PDM）與仿真數據管理系統（SDM）兩大系統集成，在設計仿真管理層面實現一體化。結果表明：設計仿真一體化技術可以大大提高仿真效率，同時對設計仿真過程數據進行了有效管理，實現了設計、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.

關鍵詞：PDM；SDM；一體化；仿真

Key words： PDM；SDM；integration；simulation

中圖分類號：TJ202 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）17-0177-03

0 引言

隨著計算機技術的不斷發展，產品數據管理、仿真數據管理、計算機輔助設計、計算機輔助工程等技術應用范圍已經滲透到諸如航空、航天、武器、車輛等各個工業領域，其核心內容主要包括數據管理、建模技術、仿真技術等。

對于輕武器產品，通過產品數據管理、仿真數據管理、計算機輔助設計、計算機輔助工程等各部分之間的相互作用和整合集成，可以大大提高任務管理和完成效率，將為輕武器產品設計提供一個基于三維模型的設計[1][2]、仿真集成的一體化環境，即設計仿真一體化，一體化（Integration）是指“從系統或整體的觀點出發，按照一個總的目的把若干有關的工作或任務有機地組織和綜合起來，在不同的發展階段使其發揮各自的特點，以求得在它們運行中獲得最大收效”。一體化技術是在系統工程、計算機技術、信息工程與現代管理等各方面取得進步的基礎上形成的，是一門跨學科、綜合性的科學技術，也是現代科技發展的必然趨勢[3][4]。

本文開展基于三維模型的輕武器產品設計、仿真一體化技術研究，實質上是在設計仿真流程和技術研究的基礎上，開發相應的軟件仿真系統，提供分析手段和技術平臺，即基于三維模型的輕武器設計、仿真集成主要將設計/仿真流程集成、設計/仿真一體化集成，設計/仿真流程集成是指將產品數據管理（PDM）與仿真數據管理（SDM）兩大系統集成，形成完善的設計仿真流程；設計/仿真一體化是將商用仿真軟件二次開發，形成較為通用的仿真模板，根據設計模型實現快速仿真建模，提高設計仿真效率。

1 總體技術方案

輕武器設計、仿真一體化主要由設計/仿真流程集成與設計/仿真一體化兩大方面構成，設計/仿真流程集成是指將產品數據管理（PDM）與仿真數據管理（SDM）兩大系統集成，形成完善的設計仿真流程，即將PDM的Windchill系統與SDM的SimManager系統集成開發；設計/仿真一體化是根據某類輕武器仿真經驗與規律，將商用仿真軟件二次開發，形成較為通用的仿真模板，根據設計模型實現快速仿真建模，主要開發兩個仿真模板，一是針對手槍、狙擊步槍、自動步槍等不同槍械，將自動機動力學仿真過程形成通用的快速建模模板，二是針對球形破片、手槍彈、步槍彈等不同殺傷元侵徹明膠靶標仿真過程形成通用的快速建模模板。（圖1）

2 設計/仿真管理系統集成

設計/仿真流程集成是指將產品數據管理（PDM）與仿真數據管理（SDM）兩大系統集成，形成完善的設計仿真流程，即將PDM的Windchill系統與SDM的SimManager系統集成開發，集成場景如下：①設計人員在Windchill系統內創建并發起仿真任務；仿真人員在Windchill系統內接受仿真任務，SimManager系統自動同步創建仿真任務；②仿真報告在Windchill系統提交并發起報告簽審流程；當審簽流程通過后，自動觸發接口流程在當前報告所屬的分析任務下創建分析報告對象，并將報告文件自動檢入到SimManager系統。該方案分析報告掛在SimManager系統下對應的數據對象下。（圖2、圖3）

3 槍械自動機動力學設計仿真一體化

槍械自動機動力學設計仿真一體化采用四層體系結構，即交互層、接口層、數據層和驅動層[5][6]，其體系結構如圖4所示。為提高平臺的可靠性、靈活性和交互性，擬在現有CAD、CAE軟件基礎上進行二次開發，采用UG構件三維實體模型。

①驅動層是構建整個平臺的數據管理、虛擬樣機仿真、所有軟硬件條件，UG軟件完成全槍零部件三維建模、Adams實現動力學仿真。

②數據層包括膛壓曲線數據庫和仿真報告模板，在后續仿真工作中可直接從數據庫中選取膛壓曲線進行導入，最終的仿真報告可基于模板自動生成。

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

④交互層負責用戶人機交互，通過開發方便靈活的人機交互界面來實現，對專業軟件通過二次開發，建立方便用戶使用的交互界面。包括模型導入、零部件替換、自動建模、外載荷建模和仿真結果處理五個功能。

槍械自動機動力學設計仿真一體化能夠研究槍械典型機構主被動件的幾何特征、相互聯接關系、約束關系及作用在構件上的主動力，建立動力學仿真模型所需的零部件拓撲關系、載荷數據表述規范。在此基礎上對Adams二次開發，形成槍械動力學仿真自動建模專用軟件，基于模板技術實現動力學仿真涉及的主被動件運動副、碰撞摩擦、約束、外載荷、傳感器等的自動建立與加載。對已經成熟的仿真模型，在拓撲關系不變的情況下，實現機構、零件的快速替換，為槍械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。同時建立膛壓曲線數據庫，實現自動加載、比例縮放、截取等功能。

設計人員在UG環境下對槍械系統的各零部件進行三維CAD建模，按照約定的命名規范對零部件進行命名，在裝配環境下形成裝配體，并導入motion模塊進行求解（此步驟的目的在于導出ADM格式），之后導出ADM格式文件（包含實體信息文件.xmt_txt和約束信息文件.adm）。根據指定槍械，建立其零部件間碰撞關系表，基于Adams環境開發接口，讀取該碰撞關系表所包含的碰撞信息，實現仿真模型中接觸關系的自動添加；通過選取外部載荷文件，實現氣室壓力、膛壓的自動加載。

當仿真模型中零部件需要改變時，基于Adams環境開發相應的接口，在保證原仿真模型零部件間的運動副、約束等關系等拓撲關系不變時，選取所需替換的零部件，導入外部修改好的零部件，實現零部件的自動替換。選擇仿真腳本，對仿真結果進行后處理分析查看，輸出仿真報告。

4 殺傷元侵徹明膠靶標設計仿真一體化

基于VB與APDL的參數化建模方法，開發殺傷元侵徹明膠的參數化建模與仿真系統。能夠實現參數化建模、自動求解及結果查看等，殺傷元侵徹明膠[7][8]的參數化建模與仿真系統主要由用戶界面模塊、材料管理模塊、APDL命令流模塊、ANSYS接口調用模塊、地址調用模塊、后處理調用模塊、數據庫組成（圖5）。通過此系統，用戶只需在前臺界面的引導下選擇或輸入殺傷元和明膠幾何參數、材料參數、侵徹初始條件、求解參數等，系統將自動完殺傷元侵徹明膠的參數化建模命令流的編輯，并通過后臺調用ANSYS，載入命令流文件進行仿真計算，輸出結果。

5 結果與結論

①基于產品數據管理（PDM）與仿真數據管理（SDM）兩大系統集成，設計人員在PDM系統內創建并發起仿真任務，仿真人員在PDM系統內接受仿真任務，SDM系統自動同步創建仿真任務，當審簽流程通過后，自動觸發接口流程在當前報告所屬的分析任務下創建分析報告對象，并將報告文件自動檢入到SDM系統，該方案分析報告掛在SDM系統下對應的數據對象下，實現了設計仿真流程上的一體化，很大程度便于設計仿真管理。②基于UG和Adams，開發槍械自動機動力學設計仿真一體化，實現了包括零部件名稱的一致性、零部件間接觸關系的自動建立、零部件參數修改及零部件替換、外載荷計算及自動加載、仿真結果快速查看及仿真報告快速生成，減少了仿真模型的修改，實現槍械改進設計后原動力學仿真模型重用及模型快速更新。③基于VB和APDL的參數化建模方法，并設計與開發了球形和槍彈殺傷元侵徹明膠的數值仿真系統，有效的將ANSYS二次開發技術應用于殺傷元侵徹明膠分析，實現參數化建模、自動求解及結果查看等，為仿真分析人員碰到問題和不熟悉專業ANSYS/LS-DYNA軟件應用之間的矛盾提供了有效的方法和途徑，對用戶而言，該系統方便易用、效率高。

參考文獻：

[1]史美林，楊光信.一個協同設計支撐系統原型—CoDesign[J].清華大學學報（自然科學版），1998，38（S1）：30-35.

[2]王魁生，李人厚，李宏敏，等.一個CSCW系統的設計與實現[J].小型微型計算機系統，2001，22（2）：218-241.

[3]韓韜，傅秀芬，蘇輝貴，等.基于CSCW的異構數據庫集成管理研究[J].計算機工程與應用，2006（S1）：36-391.

[4]Smith S， Tlusty J. Current trends in high speed machining[J].Transactions soft he ASME， Journal of Manufacturing Science and Engineering， 1997， 119：664-666.

[5]李伯虎，柴旭東.復雜產品虛擬樣機工程[J].計算機集成制造系統，2002，8（9）：678-683.

[6]KNEUBUEHL B P. Wound ballistic： basics and applications[M]. Berlin： Springer-Verlag， 2011.

[7]苑大威，李丹，王雪皎.殺傷元侵徹明膠虛擬試驗技術研究[J].兵工學報，2016，37（11）：1995-2001.

[8]Datoc D. Finite element analysis and modeling of a.38 lead round nose ballistic gelatin text [19]. California：CaliforniaPlytechnic State University， 2010.