外弹道虚拟试验技术的研究*

刘鹏飞,冯顺山,曹红松,刘雪松

(1 中北大学机电工程学院,太原 030051;2 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)

外弹道虚拟试验技术的研究*

刘鹏飞1,冯顺山2,曹红松1,刘雪松1

(1 中北大学机电工程学院,太原 030051;2 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)

为了解决外弹道虚拟试验中从各种影响因子生成到模拟随机外弹道等一系列关键问题,针对外弹道试验的特点,通过开发随机内弹道和外弹道计算模块,并以ADAMS为动力学仿真平台,对武器系统的外弹道虚拟试验技术进行了研究,最后以Multigen为视景仿真平台对试验进行了三维可视化,进而为外弹道虚拟试验技术提出了一套系统的解决方案。此外还对一高炮进行了外弹道虚拟试验,并进行了实例分析,进一步证明了该方案的可行性和准确性。

外弹道;虚拟试验;可视化

0 引言

外弹道是研究弹丸与发射装置脱离作用力后,在外力(空气动力、重力、推力)作用下运动的一门科学。外弹道在武器系统的研制和解决实际战术任务中起着决定性的作用。影响外弹道计算的因素包括弹丸的质量和外形参数、气象条件、各种扰动等,各种因素的设计是否合理直接决定着外弹道计算的可信度和可依赖性[1]。所以,在对弹丸进行外弹道试验时,上述各种因素的测试是很重要的一个过程,统计测试结果可以对弹丸以及武器系统的设计进行了解和评估。虚拟试验技术已经广泛应用于武器系统的研制中,对提高武器研制效费比和研发速度有着重要的作用。文中利用自主开发外弹道计算软件和随机内弹道计算软件,以ADAMS为动力学仿真工具,在Multigen视景仿真平台上,对外弹道虚拟试验进行了研究,提出了一套系统的外弹道虚拟试验方案。

1 外弹道虚拟试验技术整体方案

在实际试验中,发射武器系统的振动造成炮口初始扰动;内弹道的不均匀性引起了弹丸初速的随机性;生产误差造成了弹丸质量的不均匀;气象条件的不确定性也很大程度影响着外弹道的飞行。因此,要对实际的外弹道虚拟试验进行逼真的模拟,就要对以上影响因素进行解算或者模拟,来代替真实的影响因子,从而提高外弹道虚拟试验的真实性。

外弹道虚拟试验的步骤为:首先设置随机内弹道计算参数进行解算,获取内弹道时期相应的弹道参数;其次在ADAMS中建立发射系统虚拟样机模型,增加合适的运动副和约束,加载内弹道解算参数,通过仿真获取炮口初始扰动参数;加载各种影响因子,对外弹道进行解算;最后在Multigen平台上对外弹道试验进行虚拟三维可视化。其中需要解决的关键:影响因子的生成和外弹道三维虚拟试验三维可视化实现。鉴于以上所述,文中所实现的外弹道虚拟试验技术的总体方案如图1所示,后文对具体实现过程进行研究。

图1 外弹道虚拟试验技术总体方案

2 影响因子的生成

2.1 弹丸初速扰动及相关参数

内弹道随机性模拟计算通过全面地考虑内弹道期间的各种因素(火药厚度、装药量以及其他装填条件),获得了更加逼近真实的弹丸初速和膛压数据,进而间接的提高了外弹道虚拟试验的质量。

对大量的靶场试验数据经过分布函数的统计检验,得出装药量、药粒量、火药力、弹丸重等起始参量都服从正态分布,且为独立随机变量,它们的均值和方差都是可知的,因此用蒙特卡罗法来对随机内弹道计算进行模拟[2]。从内弹道计算设计的角度来看,其随机过程可以看作是在不同的起始弹道参量条件下进行一系列的计算,文中基于蒙特卡罗方法,开发了随机内弹道计算模块,在输入变量的均值及方差等参数后,模块会自动生成服从正态分布的变量随机序列,为计算提供数据。在随机内弹道计算模块中用户可以方便的选择和创建如火药厚度、装药量等参数作为随机变量,来对内弹道进行模拟,进而获取弹丸初速和其他相应的参数。随机内弹道计算参数设置对话框如图2所示。

图2 随机内弹道参数设置对话框及选择的随机参量设置

2.2 炮口初始扰动规律

火药燃气压力是全炮发射系统的动力,文中以相应的内弹道参数以及通过计算获取的膛压曲线作为弹丸发射系统的入口数据,完成全炮动力学仿真。文中以ADAMS为动力学仿真平台,首先建立虚拟三维模型,导入到ADAMS中,并对其进行一定的简化处理,确定全炮各个部件的拓扑关系,在ADAMS中定义各部件的物理属性(如质心、质量、转动惯量),然后添加约束和运动副,最后施加载荷(内弹道膛压曲线以及相应的参数),建立全炮动力学仿真模型,进行稳定性分析和炮口扰动特征分析,得出扰动数据,作为外弹道虚拟试验的初始数据[3]。炮口初始扰动特征相关动力学仿真模块流程如图3所示。

图3 炮口初始扰动特征相关动力学仿真结构

2.3 随机外弹道模拟

弹丸飞行过程中的干扰因素,大部分是正态随机变量或可近似为正态变量,如:弹丸质量、弹形、转动惯量和初始转速等。即使不是正态变量(如阵风),也会将弹丸在飞行过程中所受到的连续变化的干扰量取某一合适值,实际上是随机过程经弹道加权平均而转换为随机变量看待[4]。

通过随机外弹道模块提供的数据接口和参数设置功能,导入内弹道模拟及发射动力学仿真产生的扰动数据,直接利用或进行数据拟合来完成外弹道初速和炮口参数设置;此外利用蒙特卡罗法对其余影响因子进行处理,获取相应的随机序列完成随机外弹道其他初始参量的设置。弹丸质量的随机序列分别对应着初速扰动序列和炮口扰动曲线。虚拟试验中一高炮左右炮管水平位移曲线如图4所示。

图4 计算得某高炮左右炮管水平振动位移曲线

3 虚拟试验三维可视化

为了提高外弹道虚拟试验的逼真性,使虚拟试验更加形象化和直观化,文中以Multigen为视景仿真平台,外弹道计算为视景驱动,对外弹道虚拟试验的三维可视化进行了研究。

3.1 虚拟建模

虚拟建模技术是三维可视化的基础,模型的真实程度直接关系到虚拟试验的真实感,所以要首先进行虚拟试验模型(试验场景建模和武器建模)建立工作。试验场景模型建立利用Multigen Creator实现,作为专门面向三维虚拟仿真建模系统,它具有高逼真度三维特征及纹理特征[5]。试验场景的建立首先通过网络地图(如GOOGLE地图)收集相应的地图信息和地理信息,以及相关的场景纹理照;在利用Creator建模之前,需要对收集数据进行适当处理(如数据转换、纹理图片格式处理),然后开始绘制主要物体的轮廓,对模型进行优化,删除冗余的不可见面,最后进行纹理映射,完成场景建模工作。为了避免重复工作,武器建模采用动力学仿真的全炮虚拟样机模型,对其进行模型优化和纹理映射后直接使用。某高炮外弹道虚拟试验场景和武器模型如图5所示。

图5 某高炮外弹道虚拟试验场景和武器模型

3.2 视景实时显示

对外弹道虚拟试验中飞行轨迹、弹着点、炮口特效进行实时的显示,均可提高试验的直观性。利用Multigen Vega提供的粒子特效来模拟飞行轨迹,以实时计算得到的诸元作为粒子的轨迹,在试验中实时地显示飞行轨迹,增加试验的真实性;通过Vega的碰撞检测和特效模块模拟弹着点,不仅可以显示弹丸撞击靶板的逼真效果,还可以实时获取碰撞点坐标,为外弹道虚拟试验着靶密集度和准确度提供分析数据。试验视景实时显示的效果可以在图5中直观地捕捉到。

4 实例分析

通过文中上述研究过程及方法对一高炮进行外弹道虚拟试验,获得一组炮口初始扰动(身管位移引起的出炮口位置偏差)曲线如图4所示,高炮左右炮闩速度曲线如图6所示。

图6 某高炮左右炮闩速度曲线

分别对左右炮管同时进行3组试验,每组10连发,然后提取弹丸初速扰动和炮口初始扰动数据,如表1所示;相应的靶场实测数据如表2所示。

从以上试验数据可以看出,虚拟试验和靶场实测的数据吻合度很好,符合要求;并在此基础上对高炮进行了立靶精度试验,弹着点数据如图7所示,相应的实测数据如图8所示。

表1 一高炮弹丸初速虚拟试验数据

表2 一高炮弹丸初速靶场实测数据

图7 虚拟试验高炮纵向和横向射击弹着点

图8 靶场实测纵向和横向射击弹着点

立靶精度试验数据统计结果如表3～表5所示。

表3 虚拟实验数据统计(高低×方位,单位:mil)

表4 实测数据统计(高低×方位,单位:mil)

表5 实验数据误差统计

由统计数据可以看出,外弹道虚拟试验密集度和实际实验密集度误差在10%范围内,两者数据基本上接近,验证了文中叙述的外弹道虚拟技术的可行性和准确性。

5 结论

文中通过开发随机内弹道模块,并以ADAMS为动力学仿真平台,研究了外弹道虚拟试验技术,并基于Multigen进行了试验的三维可视化,提出了系统的研究和解决方案。虚拟试验技术在武器系统研制过程中的应用,可以有效地降低物理试验样机的研制成本,加快武器系统研发进度。此外,文中所采用的研究方法同样适用于其他武器系统的研制。

[1] Л. Н. 雷申科. 外弹道学 [M]. 韩子鹏, 译. 北京: 国防工业出版社, 1991.

[2] 金志明, 袁亚熊, 宋明. 现代内弹道学 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1992.

[3] 郑建荣. ADAMS：虚拟样机技术入门与提高 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

[4] 徐明友. 高等外弹道学 [M]. 北京: 高等教育出版社, 2003.

[5] 张华, 杨浩, 郭俊丽. MultiGen Creator地形建模技术研究 [J]. 中国科技博览, 2009(22): 166-167.

The Research on Technology of Virtual Trajectory Experiment

LIU Pengfei1,FENG Shunshan2,CAO Hongsong1,LIU Xuesong1

(1 School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2 State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Virtual trajectory experiment technology was studied according to characteristics of trajectory experiment, by developing internal ballistic calculation module and random trajectory calculation module, Based on the dynamic simulation platform-ADAMS, a series of key issues were solved such as the kinds of impact factor generation and simulation of randomly trajectory calculation, and three-dimensional visualization of virtual trajectory experiment was realized by the visual simulation software-Multigen, and a system solution was proposed for the virtual technology of virtual trajectory experiment. In addition, the virtual trajectory experiment was conducted by taking an artillery as research object and feasibility and accuracy of the project was further proved.

trajectory; virtual experiment; visualization

2014-08-22

国防基础科研项目(A1020110020)资助

刘鹏飞(1989-),男,山西忻州人,硕士研究生,研究方向:软件开发,视景仿真,弹道仿真。

TP391.9

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