基于ADAMS自动机动力学仿真快速建模技术研究

黄书伟，曹红松，苑大威，刘伊华，李瑞静

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.中国兵器工业第208研究所，北京 102202；3.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

基于ADAMS自动机动力学仿真快速建模技术研究

黄书伟1，曹红松1，苑大威2，刘伊华2，李瑞静3

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原030051；2.中国兵器工业第208研究所，北京102202；3.西北机电工程研究所，陕西 咸阳712099)

为自动机改进设计所需的动力学仿真提供仿真模型重用及快速更新的方法手段，运用MSC ADAMS的二次开发功能建立自动机动力学仿真快速建模模块，该模块包含模型传递、接触关系自动建模、载荷自动加载及处理、仿真结果快速查看功能，能够针对不同型号的自动机进行动力学仿真模型的快速建立，提高自动机动力学仿真的建模效率，有利于缩短产品开发周期、降低产品开发成本。

自动机；动力学；建模；命名；ADAMS

自动武器机构复杂，零件数量多，动态特性明显，工作条件恶劣[1]，射击过程中容易出现卡壳、偶发火等故障，通常需要在研发过程中对开闭锁机构、自动机等关键机构进行动力学仿真分析，分析其动作可靠性及运动性能。

在运用MSC ADAMS进行自动机动力学仿真时，由于自动机零件外形结构复杂[2]，可利用CAD软件完成三维建模导入，然后导入到MSC ADAMS中。目前常采用UG进行三维模型的建立，对于UG中形成的装配体导入到MSC ADAMS中后，MSC ADAMS自带的命名规则会对导入装配模型的各零部件进行重命名，使其名称与UG环境下的名称失去一致性，设计人员需要手动修改各零部件名称，这是一个比较繁琐的工作过程；火炮自动机中很多零部件之间都是相互碰撞的关系，撞击可以通过较简单的结构完成复杂的运动，使武器的结构设计简单化[3]，通常情况下设计人员需要手动为其添加接触关系。对于载荷及约束条件的加载、零部件的修改与替换等也比较复杂。

笔者主要针对模型名称传递、接触关系自动建模、零部件快速替换、柔性体快速建立及载荷的自动加载及处理的相关技术进行了研究，通过对其进行专业领域的二次开发[4]，开发自动机动力学仿真快速建模软件，可方便设计人员进行动力学仿真模型的建立。

1 自动机动力学仿真快速建模方案

该快速建模技术的目标是针对不同型号的火炮自动机进行动力学仿真模型快速建模，自动实现自动机各零部件名称的传递，保证不同软件平台下火炮自动机各零部件名称的一致性；能够自动批量创建零部件之间的接触关系，省去不必要的重复性操作；在保证拓扑关系不变的情况下进行零部件快速替换或柔性体创建，实现刚柔耦合；能够对关键零部件的仿真结果进行快速查看。通过编程以及对ADAMS的二次开发，形成自动机动力学仿真快速建模软件，以提高建模效率，为设计人员节省大量时间。

1.1快速建模软件的总体架构

自动机动力学仿真快速建模软件采用4层体系结构，即交互层、接口层、数据层和驱动层，其体系结构如图1所示。为提高平台的可靠性、灵活性和交互性，拟在现有CAD、CAE软件基础上进行二次开发，采用UG构建三维实体模型。

1)驱动层是构建整个平台的数据管理、虚拟样机仿真、所有软硬件条件，UG软件完成零部件三维建模，MSCADAMS实现动力学仿真。

2)数据层包括膛压曲线数据库和仿真报告模板，在后续仿真工作中可直接从数据库中选取膛压曲线进行导入，最终的仿真报告可调用对话框快速生成。

3)接口层包括数据接口，数据接口为各子系统的模型、参数等进行交换，为软件集成和用户交互提供基础。

4)交互层负责人机交互，通过开发方便灵活的人机交互界面来实现，对专业软件通过二次开发，建立方便用户使用的交互界面。包括模型处理、外载荷建模和仿真结果处理3个模块。

1.2快速建模流程

该快速建模模块的名称传递、接触关系自动建立、仿真模型零部件替换、载荷自动加载及处理及仿真结果快速查看等功能主要通过菜单和对话框的方式实现，仿真流程如图2所示。

该快速建模模块的设计主要分为两部分：外部可执行程序和基于MSCADAMS开发的菜单和对话框。通过外部可执行程序的不同模块可分别实现零部件名称的一致性及接触关系自动加载功能；通过基于MSCADAMS开发的菜单对话框可以实现零部件修改替换和柔性体的创建、载荷自动加载、处理及仿真结果快速查看等功能。

2 功能分析及实现

该系统的功能模块主要包括3部分：模型处理、外载荷建模和仿真结果处理。具体功能如图3所示。

2.1模型名称传递

自动机动力学仿真模型的快速建立可通过执行外部的应用程序及菜单对话框来实现。设计人员在UG环境下对火炮自动机的各零部件进行三维CAD建模，按照约定的命名规范对零部件进行命名，在装配环境下形成装配体，在motion模块中进行求解并导出ADM格式文件。

基于MSCADAMS环境，定制开发火炮自动机动力学仿真快速建模模块。该模块能够自动读入UG导出的自动机零部件与名称信息，实现在MSCADAMS环境中火炮自动机系统仿真模型的自动建立，并按照UG环境下已给定的名称对各零部件自动命名，实现名称一致性。

名称一致性功能主要由C语言实现，部分代码如下：

strFilename1=dlg.GetFileName();

……

通过GetFileName()获取文件名称从而读取文件。

for(intj=0;j

{

……

通过以上语句对ADM文件进行读取和处理，实现模型名称的传递。

2.2接触关系自动建模的实现

为实现自动机系统中各零部件间接触关系的自动加载，需要根据指定型号自动机，建立其零部件间碰撞关系表，基于MSCADAMS环境开发接口[5]，读取该碰撞关系表所包含的碰撞信息，自动添加仿真模型中的运动副和约束。

接触的自动建立主要是针对UG环境下形成的装配体导入该模块后，能够根据火炮自动机系统中各构件的拓扑关系自动建立接触关系。该碰撞关系表的样式如表1所示,以横或列为基准，若两构件间存在碰撞关系，则以符号“√”表示。

表1 碰撞关系表

实现接触关系自动加载功能主要由C语言实现，部分代码如下：

……

str2=str1.c_str();

m_list.InsertColumn(tt1," ",LVCFMT_LEFT,60);

m_list.InsertItem(t,str2);

……

2.3零部件替换的实现

零部件替换模块主要考虑到在产品设计过程中，有时候需要对某一零部件进行修改或重新设计，这时候若能够保证在整个装配模型拓扑关系不变的情况下对该零部件进行替换，则能够极大提高工作效率、减轻工作强度。

零部件替换功能可以借助对话框来实现，指定需要替换的零部件，导入外部修改后的零件实体信息，即能在不改变拓扑关系的情况下实现所需零部件的替换。

实现零部件替换的部分命令如下：

part_name= $field_3

entitymodifyentity=(eval(S))new=$field_2

interfacetreerefresh=true!---UPDATE

TREEVIEW

……

2.4柔性体创建

考虑到自动机工作过程中相关零部件会产生弹性变形，若全部采用刚体模型进行动力学仿真则不能真实地体现自动机的运动情况，必要时可使用柔性体对相关部件进行替换或对相关部件进行柔性化处理，以便更接近自动机的真实运动情况[6]。

柔性体的创建可以借助对话框进行实现，利用MSCADAMS的二次开发功能，调用柔性体创建对话框，指定需要柔性化的零部件，在不改变拓扑关系的情况下实现指定零部件的柔性化。

调用对话框命令语句如下：

CMD=intdiadispdia=.gui.make_flexible

通过以上语句即可调用相应对话框，实现相关零部件柔性化。

2.5载荷自动加载及处理

载荷自动加载及处理主要针对后续仿真分析所需要的力进行导入，如膛压、导气室压力、抽壳阻力、外部驱动力等。对于膛压，可以在外部的专业模块进行计算后进行导入，或者从膛压曲线库中选取，这里需要建立一个膛压曲线数据库，收录常用的膛压曲线，再根据需要进行适当的截取或按比例缩放。

实现载荷处理的部分命令如下：

……

!managegraphicforces(type0=none1=firstbody2=secondbody)

mdigraphic_forceobject= $field_1type=1

使用MSCADAMS自带的命令语言，定制专用菜单对话框可实现对膛压曲线的截取、缩放等功能，提高火炮自动机动力学仿真效率。

3 MSC ADAMS中交互功能的实现

现以某型号火炮自动机为例，进行动力学仿真模型快速建模模块的功能验证。

3.1模型名称传递

在如图4所示的命名处理界面，选取相应文件后，依次点击“创建新的动力学模型文件”和“创建ADAMS模型”，即可建立所需动力学仿真模型。

经过必要的处理后，导入到MSCADAMS中的模型各零部件名称的一致性得以保证，如图5所示。

3.2接触关系自动建模

单击“接触处理”标签，进入接触处理模块，以横标题或纵标题为基准，在相互之间有接触关系的两零部件对应的单元格内打勾，如图6所示，单击“确定”输出接触关系文件。

在仿真平台中单击GunDynamic主菜单，选择下拉菜单Model中的Contacts，弹出接触对话框，选取输出的接触关系文件单击“确定”按钮，即可自动批量建立零部件间的接触关系。

3.3载荷自动加载及处理

进行仿真之前，需要添加必要的约束和载荷，如导气室压力、抽壳阻力等，若为外能源自动机则需调用外部驱动力曲线。

导气式压力和抽壳阻力是一个计算模块，方便设计人员快速计算，膛压可利用外部计算或试验数据，计算和加载界面如图7～8所示。

单击相应菜单即可弹出抽壳阻力计算或外部驱动力导入对话框。在此以膛压曲线为例对载荷处理功能进行说明，在仿真平台中单击GunDynamic主菜单，选择下拉菜单Gunpressure中的import，导入预置的膛压曲线。

单击Gunpressure中的cut及scale菜单，可实现对膛压曲线的缩放及截取操作，调用曲线处理对话框并设置好相关参数，如缩放比例为1.2倍，截取截止时间为2ms，如图9所示，点击OK按钮即可完成设置并进行仿真。

处理后曲线对比图如图10所示，SFORCE_2为原始曲线，SFORCE_1为扩大1.2倍并截取2ms的曲线，SFORCE_3为扩大1.2倍的曲线。

处理后的曲线可直接用于仿真，以适用于不同长度及药室容积的身管。

3.4零部件快速替换

当仿真结果不合理或需对相关零部件进行修改时，可以通过定制的菜单对话框在保证整个装配模型拓扑关系不变的情况下对该零部件进行替换，极大地提高工作效率、减轻工作强度。

在仿真平台中单击GunDynamic主菜单，选择下拉菜单Model中的Partreplace，通过对话框完成指定零部件的快速替换，如图11所示。

3.5柔性体创建

考虑到自动机的真实运动情况，需要对相关零部件进行柔性化处理，即用柔性体代替刚体模型，提高仿真精度。

在仿真平台界面单击GunDynamic主菜单，选择Model下的Partmakeflexible菜单，调用相应对话框实现相关零部件的柔性化，如图12所示。

单击CreateNew按钮，选择需要柔性化的零部件使其变成柔性体，结果如图13所示。

由图13可以看到，相应的零部件经过柔性化处理后，对应的刚体模型则会失效，取而代之的是新建的柔性体，进行刚柔耦合。

3.6仿真结果快速查看

求解完毕后，点击相应菜单调用定制对话框，可以快速查看相关部件的速度、角速度等关键参数，仿真结果快速查看界面如图14所示。

通过名称、接触、载荷等处理后可快速进行动力学仿真，极大地提高了设计人员的工作效率，有利于缩短产品开发周期[7]。

4 结束语

对MSCADAMS进行二次开发得到的自动机动力学仿真模型快速建模模块，很好地解决了三维模型导入MSCADAMS中出现的名称不一致、大量接触关系的建立、仿真模型零部件替换及相关零部件的柔性体建立等问题，同时该快速建模模块操作简便、通用性好，具有很高的实用性，节省了设计人员的时间，提高了工作效率，为设计人员提供了很大的便利。

References)

[1] 张相炎，郑建国，杨军荣. 火炮设计理论[M]. 北京：北京理工大学出版社，2005：175-176. ZHANG Xiangyan，ZHENG Jianguo，YANG Junrong. Design theory of artillery[M]. Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2005：175-176.(in Chinese)[2] 徐诚，王亚平.火炮与自动武器动力学[M]. 北京：北京理工大学出版社，2006：137-138. XU Cheng，WANG Yaping. Dynamics of artillery and automatic weapons[M]. Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2006：137-138.(in Chinese)

[3] 曾晋春，杨国来，王晓峰.某火炮虚拟样机自动建模与仿真[J].火炮发射与控制学报，2008(1)：42-45. ZENG Jinchun，YANG Guolai，WANG Xiaofeng. Virtual prototype modeling and simulation of gun automat[J]. Journal of Gun Launch & Control，2008(1)：42-45.(in Chinese)

[4] 王亚平，王永娟，徐诚，等.自动武器动力学仿真平台ADAMS/GUN 的设计与实现[J].兵工学报，2007,28(9)：1041-1045. WANG Yaping,WANG Yongjuan,XU Cheng,et al. The design and realization in the special dynamical simulation system ADAMS/GUN for automatic weapon[J]. Acta Armamentarii,2007,28(9):1041-1045. (in Chinese)

[5] 沈冠军，曹红松，白友平，等.火炮自动机仿真优化平台开发技术研究[J].火炮发射与控制学报，2012(3)：76-80. SHEN Guanjun，CAO Hongsong，BAI Youping，et al. Research on gun automatic mechanism simulation and optimization platform[J] Journal of Gun Launch & Control，2012(3)：76-80. (in Chinese)

[6] 范天峰,李魁武,王宝元.某自行高炮动力学分析[J].火炮发射与控制学报，2005(3)：11-14. FAN Tianfeng,LI Kuiwu,WANG Baoyuan. Dynamic analysis for a self-propelled anti-aircraft gun[J]. Journal of Gun Launch & Control，2005(3)：11-14. (in Chinese)

[7] 贺飞，曹红松，王泉，等.基于MSC Adams/Engine的发动机悬置系统优化设计通用模块[J].计算机辅助工程，2010，19(1)：32-35. HE Fei，CAO Hongsong，WANG Quan，et al. Common module for optimization design of engine mounting system based on MSC Adams/Engine[J].Computer Aided Engineering，2010，19(1)：32-35. (in Chinese)

ResearchonRapidModelingofAutomaticMechanismDynamicsSimulationBasedonADAMS

HUANG Shuwei1，CAO Hongsong1，YUAN Dawei2，LIU Yihua2，LI Ruijing3

(1.School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan030051，Shanxi，China；2.No.208Research Institute of China Ordnance Industries，Beijing102202，China；3.Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering，Xianyang712099，Shaanxi,China)

For the purposes of providing methods and means for model reusing and rapid updating in the dynamics simulation required by design developments of automatic mechanism, the rapid modeling module of automatic mechanism was established based on the secondary development of MSC ADAMS, which contains functions of model transfer, automatic building of contacts, automatic building and processing of load，and quick review of simulation results. The module can be used to rapidly build a dynamics simulation model according to the types of automatic mechanism, which increases efficiency of automatic mechanism dynamics simulation, and which will be helpful to shortening the development cycle time and reducing development cost.

automatic mechanism; dynamics; modeling; naming; ADAMS

TP391.9

： A

：1673-6524(2017)03-0031-06

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.007

2016-09-26

黄书伟(1992—)，男，硕士研究生，主要从事武器动力学仿真技术研究。E-mail：756627389@qq.com