輕武器協同仿真模式設計與實現

苑大威，賈 飛，李 坤

(1.瞬態沖擊技術重點實驗室, 北京 102202； 2.中國兵器工業第208研究所, 北京 102202)

近年來，輕武器科研項目種類多、領域廣、學科交叉性強，對仿真的需求越來越多。輕武器涉及多體動力學、結構強度、疲勞壽命、氣動、傳熱、威力等多個學科。同時輕武器產品研制過程需要仿真全面對其功能性能進行分析評價，仿真任務量越來越大。

傳統的仿真工作模式難以滿足大幅度增加的仿真需求：

1) 仿真流程串行、效率低。缺乏嚴謹的仿真流程，現有的模式難以應對多項目仿真工作。

2) 求解速度慢。仿真本機求解速度慢，面對多個仿真任務只能按先后順序求解，嚴重影響了分析進度，無法滿足設計人員的需求。

3) 仿真數據和經驗數據得不到積累。仿真數據缺乏行之有效的管理，數據量大且存儲混亂。

航天航空領域重點研究復雜航天產品性能樣機的分布式協同建模方法、協同仿真方法、協同仿真模型庫的構建方法和協同仿真優化方法[1]；針對復雜產品，進行了虛擬樣機設計分布式協同高層建模[2]；針對機電伺服系統，實現電力電子、控制和電磁場的多學科協同仿真與虛擬試驗[3]。與大型裝備不同，輕武器包含各類槍械、多種彈藥、班組武器、無人裝備等幾十種產品，仿真工作具有產品種類多，多任務并行、多學科協同的特點，本文將輕武器產品仿真過程集“仿真建模、并行求解、數據管理”于一體，全面地規范仿真流程，為多項目多任務的仿真工作提供協調、高效的方法，同時實現仿真實例參考、仿真經驗積累和仿真數據查詢。

1 協同仿真總體方案

基于輕武器產品項目多、學科廣、仿真任務多等特點，基于PDM、SDM、LSF三大軟件系統定制開發建立面向多任務并行的輕武器協同仿真模式，從模式架構層次，分為管理層、應用層和基礎層。管理層主要是任務和流程，面對多個產品的仿真項目，梳理輕武器仿真流程，形成的“設計—仿真建模—并行求解—數據管理”仿真流程，仿真過程數據有序管理，仿真任務在線并行求解，仿真報告在線審簽；應用層主要是研究多任務并行的協同仿真工作模式，即仿真工作并行開展，仿真人員相互協同，同時開展多個項目的仿真分析工作；研究動力學、結構力學、氣動力學等仿真分析規則與快速建模方法，保證了仿真模型一致性，提高多任務仿真效率；基礎層在于建立高性能軟硬件集成調度系統，實現并行求解，建立輕武器專用的仿真資源庫，將仿真實例、載荷參數、材料參數、仿真經驗、失效零部件分析等入庫管理，實現仿真數據高效的傳遞、繼承和重用。如圖1所示。

圖1 輕武器協同仿真方案框圖

2 協同仿真管理層設計

該模式將產品數據管理系統PDM、仿真數據管理系統SDM、高性能軟硬件集成調度系統LSF等功能融于一體。基于PDM、SDM、LSF三個軟件系統定制開發，通過三個軟件系統之間數據傳輸，實現PDM仿真任務發放、仿真報告審簽，SDM進行數據分析及存檔，LSF并行求解等仿真工作，如圖2所示，在輕武器仿真流程中，設計人員完成三維模型設計后通過PDM進行仿真任務發放，仿真負責人接收仿真任務后在SDM進行仿真任務分配，仿真人員進行建模并提交至LSF求解，仿真完成后在PDM提交仿真報告進行審簽，同時在SDM完全仿真過程數據的存儲[4-5]。

仿真數據按照業務邏輯分類保存管理。存儲的數據主要包括：仿真分析過程數據和結果數據，包含分析對象(產品、子系統、零部件)、分析方案、各種模型(例如待分析的設計模型文件、簡化幾何模型文件、網格模型、分析模型)、求解文件、試驗結果數據(文本)、原始結果、關鍵結果、分析報告等；其中設計模型、分析模型、求解文件和分析報告是需要具有版本管理機制的數據類型。

模式以數據進程圖的形式顯示數據的進程，譜系框圖中數據類型先后關系為分析對象→方案→仿真數據(包括設計模型、分析模型、求解文件、計算結果、關鍵結果、分析報告等，形式如圖3所示。

圖2 輕武器仿真流程框圖

圖3 仿真數據譜系視框圖

3 協同仿真應用層設計

3.1 建立多任務并行協同仿真模式

對于輕武器產品種類多、任務多的特點，產品研發過程中要進行仿真分析的內容繁多，從技術角度看，不管協同仿真過程多么復雜，都可以通過層次分解來簡化協同仿真過程，將整個仿真項目分解為若干子項目，每一個子項目又可分解為若干分析類型，每一個分析類型又由若干仿真任務構成。根據分層建模理論，輕武器協同仿真層次化模式如圖4所示，從上至下依次為項目層、子項目層、分析類型層和仿真任務層[6-8]。其中：

項目層是協同仿真過程最高層次，是協同仿真的總任務，如某步槍全槍性能仿真分析。

子項目層是一種基于協同仿真的邏輯結構層，可按仿真需求或學科領域動態設定，保證協同仿真的快速性和并行性。

分析類型層是在較粗粒度上對項目進行的劃分，由相互之間存在一定順序關系、制約關系、數據需求關系的若干分析類型組成，如槍械仿真，涉及多體動力學、結構強度、爆炸力學、氣動力學等。

仿真任務層是在較細粒度上根據不同分析類型要求所進行的劃分，對于仿真人員，仿真工作基本都包括建模、前處理、求解、后處理、結果分析等一系列工作。

基于協同仿真層次化模式，研究制定仿真經驗與仿真理論建立了面向多體動力學、結構強度、爆炸力學、氣動力學等仿真的分析規則，統一各學科仿真從建模，求解到分析的方法，消除了因個人建模差異。基于對導氣壓力、機構動力學、侵徹威力、強度分析、疲勞壽命等仿真的輸入與輸出數據形式與內容的整理與分析，明確各學科仿真結果數據流轉的形式，梳理槍械、彈藥、班組武器等多領域多產品仿真要求，形成了仿真快速響應的仿真機制。

圖4 協同仿真過程的層次化框圖

3.2 仿真規范化及快速建模

分別基于動力學仿真軟件Adams、爆炸/沖擊力學仿真軟件Dyna進行了定制開發，通過嵌入動力學仿真建模規則、槍彈網格劃分規則、經典導氣壓力方程、槍彈終點威力計算方程，實現了槍械動力學自動建模、槍彈網格自動劃分、槍械動力載荷快速計算[9]、槍彈終點威力快速計算，如圖5、圖6界面所示，節省了依靠人工進行零件命名、接觸對象選擇、網格繪制、導氣載荷與槍彈終點威力計算的公式查詢與參數查表的工作量與工作時間。

圖5 槍械動力學快速建模軟件界面

4 協同仿真基礎層設計

4.1 多任務仿真并行求解計算

槍械、彈藥、班組武器等多個輕武器仿真項目，需要進行包括多體動力學仿真、彈道學仿真、結構力學仿真、人機工效學仿真、聲光電學仿真以及可靠性綜合仿真等大量的仿真分析計算任務，如槍械的機構運動(平、俯、仰射狀態自動機運動仿真、自動機反跳等)，槍械零部件結構強度(閉鎖強度、槍管強度、拉殼鉤強度、活塞強度等)，零部件疲勞壽命預測，人機工效分析(扳機力預測、拋殼軌跡分析、后坐力預測等)，射擊精度預測分析(槍械的模態分析、全槍射擊振動仿真等)，跌落分析，膛口制退器流場分析，戰斗部威力分析，氣動分析以及電磁場分析等，提交的仿真計算作業可達到上百個，并且包含多個學科，通過高性能硬件配置條件，根據用戶的級別分配資源[7-8]，依次自動將等待的計算任務提交，如圖7界面所示。否則就需要人工等待提交和24 h實時查看計算的進度，造成計算時間和人員時間的浪費。

圖7 高性能計算軟硬件集成調度系統界面

4.2 建立仿真資源庫

對輕武器仿真專用的基礎資源，建立槍械、彈藥、班組武器的仿真實例庫、仿真經驗庫、仿真模型庫、仿真參數庫、仿真結果庫、失效零部件分析庫等，豐富了仿真基礎數據，保證數據使用的一致性，極大地方便了仿真人員快速調用、參考，實現仿真數據高效的傳遞、繼承和重用，如圖8、圖9界面所示。

圖8 仿真資源庫構建框圖

圖9 仿真資源庫界面

其中，仿真參數庫包含專項測試的25Cr2Ni4WA、30CrMnMoTiA等槍械常用材料、新材料的靜態拉伸性能參數、快速拉伸參數、低周疲勞性能曲線、裂紋擴展參數等數據；材料參數庫包含各類口徑槍械的膛壓曲線參數、各類仿真的摩擦參數、接觸參數等，直接為仿真建模提供準確的輸入數據。

仿真經驗庫包含動力學仿真彈簧設置、接觸設置、摩擦設置、精確建模等方法總結，有限元網格劃分方法總結，閉鎖強度仿真、疲勞壽命仿真、導氣壓力仿真、爆炸侵徹威力仿真等仿真經驗；仿真實例庫包含槍管強度仿真、活塞強度仿真、保險可靠性仿真、槍管炸裂仿真、空膛/騎彈/有彈掛機故障仿真等各類經典仿真實例，為后續仿真建模提供參考依據。

失效零部件分析庫包含槍械導柱、擊針、拉殼鉤、擊錘、槍機卡榫、空倉掛機、扳機拉桿等破損件斷口分析，槍管磨損、空倉掛機熱處理理化分析等，為仿真結果提供指向性依據。

同時，將仿真載荷參數、材料參數、仿真實例定制到仿真軟件中(界面如圖10、圖11所示)，直接調用用于仿真建模，有效保證多任務仿真數據統一，實現仿真數據高效的傳遞、繼承和重用。

圖10 強度仿真軟件中材料參數庫界面

圖11 強度仿真軟件中仿真實例庫界面

5 結論

輕武器協同仿真模式在輕武器產品研制過程中進行了深度應用，使輕武器仿真的整個流程貫通，大大提升了仿真效率和分析能力，實現輕武器結構更多方案的優選、更多功能性能的分析，為產品研制提供了更多更有效的數據參考，在輕武器行業具有重要意義。

隨著輕武器仿真模式進一步應用新的需求、新的功能優化也會出現，應不斷完善優化輕武器仿真模式、仿真流程和仿真過程，逐漸向仿真智能交互及大數據方向發展。