大口徑機槍發射運動虛擬仿真軟件設計

梁振剛 孫文才 劉 澎 李 睿 李佳泓

(沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159)

1背景與意義

武器彈藥的真實展示和實驗具有危險性高、不易操作和實驗現象難以捕捉的特點，在兵器學科的多個專業課程教學中，教師無法真實呈現與課程相關的模型及其內部結構和工作原理，而且課程實驗也很難操作和實現，這嚴重影響了課程的教學效果和學生的學習興趣。虛擬仿真技術由于其自由度高、交互性強、仿真度高、無器材消耗等優點，在高校教育中開始得到廣泛的應用。如今，仿真實訓成為實訓教學重要的組成部分和提高教學質量的重要手段。將虛擬仿真技術引入課堂，通過應用虛擬仿真教學軟件，可實現教學中真實的零部件及其復雜的工作過程的虛擬展示，為學生體驗更真實和近距離觀察自動武器工作過程提供了可能，同時也可以讓學生更加直觀的了解自動武器的工作原理，這既方便了教師上課講解，也便于學生的課后復習。

在自動武器結構設計課程中，大口徑機槍是一種典型的自動武器，目前，大口徑機槍各零部件結構和工作原理展示多以平面剖視圖為主，缺乏動態演示，對于空間感不強的同學來說理解起來十分困難。并且機槍屬于管制武器，發射過程的真實演示具有高危險性，機槍的射速大約600發/min，發射過程瞬間完成，并且發射過程中外部有殼體遮擋，很難看清發射過程時的機構動作，所以使用真實機槍進行教學演示不具有可能性。而單純依靠圖片和語言教學又難以讓學生完全理解機槍的工作原理。所以我們希望通過建立大口徑機槍三維動態模型，使講解方式由圖片加文字的靜態教學變為易于理解的動態展示。動態展示不僅僅是簡單的動畫演示，而是以數學模型為基礎的虛擬運動仿真，可以最大限度的符合真實情況，使學生們能夠仔細觀察到機槍組成結構、各個零件的細節特征和發射過程中任意時段機構運動過程。

在工業領域虛擬仿真早已嶄露頭角，西門子打造了制造虛實“雙胞胎”流水線，通過虛擬仿真技術遠程展現實際流水工況和數據。2016年初，羅克韋爾?柯林斯與美國虛擬仿真軟件公司WorldViz合作開展維修培訓器項目。

虛擬仿真產業即將駛入發展快車道，目前美國的虛擬仿真技術應用在國際上處于領先地位，已成為業界標桿，其他國家如英國、德國、日本基本與其大同小異。縱觀各國發展態勢，虛擬仿真技術的發展已在科學實驗、仿真模擬等方面落地生根，并呈現出穩步上升的趨勢。

實踐證明，在虛擬戰場環境中對諸軍兵種進行聯合戰役訓練能夠極大地提高參展部隊的作戰能力，并能縮減武器的研發和實訓階段的費用。據悉，美國第四代戰斗機F-22和JSF在研制全周期中，由于采用了虛擬仿真技術，實現了3D數字化設計，使得研發周期縮短50%，節省研發經費93%。

2主要方法及其創新點

2.1主要方法

(1)在對典型大口徑機槍結構分析的基礎上，確定機槍主要零部件組成及各零部件結構尺寸參數。

(2)用UG分別對各零部件進行建模并裝配成一個整體，得到大口徑機槍機構的整機模型。將UG模型轉化為3D MAX可識別的模型并進行附材質、渲染，導出為FBX格式。

(3)分析大口徑機槍工作原理，建立各機構動作的運動仿真數學模型。

(4)將三維模型導入Unity 3D，結合運動仿真數學模型，應用可視化技術——編程實現大口徑機槍發射虛擬運動仿真軟件設計。

2.2創新點

通過建立數學仿真模型，能夠模擬大口徑機槍真實發射過程，用來解決傳統教學中硬件資源不足的問題。項目中的動態展示不僅是簡單的動畫展示，而是基于實際情況的真實模擬。動態展示中不僅可以觀察到機構的細節特征，也可以觀察到任一發射時期的機構運動過程。通過發射原理動態展示，可以加深學生對發射原理理解。此外，既能讓教師在課上通過電腦演示方便學生理解，也能將程序發給學生，讓學生反復觀察加深對大口徑機槍結構細節及其工作原理的理解，兼具娛樂性的同時提高教學質量。

3收獲和體會

在研究方面，最深的體會就是要勤于思考，主動進行實踐環節。創新性試驗并沒有已有的模板可以按部就班，需要一步步的計劃并且在實施過程中進行協調。每一個環節都需要獨立的思考和大家共同的參與與配合。在創新方面，重在明確創新的方向和目標。在多次的反復協商討論后，我們達成一致的意見，之后的所有工作都圍繞它開展。我們用盡可能科學的方法，進行了相關的模型分析，對于數據來源嚴格把關，盡可能確保每一份問卷的真實性與有效性。對于獲得的數據，進行了后期的分析與挖掘，以得出可信度高的結果。最后，任何一個突破性、創新性的成就都是從“平凡有點枯燥”的過程中一步步得出來的。在這次實訓中，我們學會了理論聯系實際，不僅加強了對專業知識的理解與運用，也學會了迎難而上，同時還有堅持不懈的務實態度和團隊協作的精神，創新創業實訓成為了我們成長過程中的寶貴經驗和財富。

實踐是學習知識最好的方法，它能教會我們很多書本上永遠闡釋不出的東西。我們體會最深的是要勤于思考，要善于從不同角度分析問題。在創新方面，首先要確定創新的方向和目標，始終圍繞創新點，不能偏離主題，也不能隨意猜測，而要有根據、有目的地做出假設，再一步步通過實踐去論證自己的猜測。其實，每一個偉大的成就都是這樣“平凡”地一步一步實現的。該項目真正做起來才發現并不那么容易，需要做很多的工作，并且這些工作都還需要很大的耐心和毅力。比如早期的文獻查閱、數據收集、數據大算及其分析、模型構建。整個過程中我認識到做科研必須具有一絲不茍的嚴謹態度，要本著對科研負責、對科學負責的態度，進行自己的研究。