轻武器设计仿真一体化技术研究

刘伊华 李鸽 朱镜丽

摘要：本文基于枪械自动机动力学、杀伤元侵彻靶板等较为成熟的仿真工作，提炼总结其规律性，将繁琐的重复工作封装开发到程序中，完成仿真建模自动化，从而提高仿真分析速度，在设计仿真技术层面实现一体化；同时将轻武器产品管理系统（PDM）与仿真数据管理系统（SDM）两大系统集成，在设计仿真管理层面实现一体化。结果表明：设计仿真一体化技术可以大大提高仿真效率，同时对设计仿真过程数据进行了有效管理，实现了设计、仿真的一体化。

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.

关键词：PDM；SDM；一体化；仿真

Key words： PDM；SDM；integration；simulation

中图分类号：TJ202 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）17-0177-03

0 引言

随着计算机技术的不断发展，产品数据管理、仿真数据管理、计算机辅助设计、计算机辅助工程等技术应用范围已经渗透到诸如航空、航天、武器、车辆等各个工业领域，其核心内容主要包括数据管理、建模技术、仿真技术等。

对于轻武器产品，通过产品数据管理、仿真数据管理、计算机辅助设计、计算机辅助工程等各部分之间的相互作用和整合集成，可以大大提高任务管理和完成效率，将为轻武器产品设计提供一个基于三维模型的设计[1][2]、仿真集成的一体化环境，即设计仿真一体化，一体化（Integration）是指“从系统或整体的观点出发，按照一个总的目的把若干有关的工作或任务有机地组织和综合起来，在不同的发展阶段使其发挥各自的特点，以求得在它们运行中获得最大收效”。一体化技术是在系统工程、计算机技术、信息工程与现代管理等各方面取得进步的基础上形成的，是一门跨学科、综合性的科学技术，也是现代科技发展的必然趋势[3][4]。

本文开展基于三维模型的轻武器产品设计、仿真一体化技术研究，实质上是在设计仿真流程和技术研究的基础上，开发相应的软件仿真系统，提供分析手段和技术平台，即基于三维模型的轻武器设计、仿真集成主要将设计/仿真流程集成、设计/仿真一体化集成，设计/仿真流程集成是指将产品数据管理（PDM）与仿真数据管理（SDM）两大系统集成，形成完善的设计仿真流程；设计/仿真一体化是将商用仿真软件二次开发，形成较为通用的仿真模板，根据设计模型实现快速仿真建模，提高设计仿真效率。

1 总体技术方案

轻武器设计、仿真一体化主要由设计/仿真流程集成与设计/仿真一体化两大方面构成，设计/仿真流程集成是指将产品数据管理（PDM）与仿真数据管理（SDM）两大系统集成，形成完善的设计仿真流程，即将PDM的Windchill系统与SDM的SimManager系统集成开发；设计/仿真一体化是根据某类轻武器仿真经验与规律，将商用仿真软件二次开发，形成较为通用的仿真模板，根据设计模型实现快速仿真建模，主要开发两个仿真模板，一是针对手枪、狙击步枪、自动步枪等不同枪械，将自动机动力学仿真过程形成通用的快速建模模板，二是针对球形破片、手枪弹、步枪弹等不同杀伤元侵彻明胶靶标仿真过程形成通用的快速建模模板。（图1）

2 设计/仿真管理系统集成

设计/仿真流程集成是指将产品数据管理（PDM）与仿真数据管理（SDM）两大系统集成，形成完善的设计仿真流程，即将PDM的Windchill系统与SDM的SimManager系统集成开发，集成场景如下：①设計人员在Windchill系统内创建并发起仿真任务；仿真人员在Windchill系统内接受仿真任务，SimManager系统自动同步创建仿真任务；②仿真报告在Windchill系统提交并发起报告签审流程；当审签流程通过后，自动触发接口流程在当前报告所属的分析任务下创建分析报告对象，并将报告文件自动检入到SimManager系统。该方案分析报告挂在SimManager系统下对应的数据对象下。（图2、图3）

3 枪械自动机动力学设计仿真一体化

枪械自动机动力学设计仿真一体化采用四层体系结构，即交互层、接口层、数据层和驱动层[5][6]，其体系结构如图4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构件三维实体模型。

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软件完成全枪零部件三维建模、Adams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，最终的仿真报告可基于模板自动生成。

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交互层负责用户人机交互，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。包括模型导入、零部件替换、自动建模、外载荷建模和仿真结果处理五个功能。

枪械自动机动力学设计仿真一体化能够研究枪械典型机构主被动件的几何特征、相互联接关系、约束关系及作用在构件上的主动力，建立动力学仿真模型所需的零部件拓扑关系、载荷数据表述规范。在此基础上对Adams二次开发，形成枪械动力学仿真自动建模专用软件，基于模板技术实现动力学仿真涉及的主被动件运动副、碰撞摩擦、约束、外载荷、传感器等的自动建立与加载。对已经成熟的仿真模型，在拓扑关系不变的情况下，实现机构、零件的快速替换，为枪械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。同时建立膛压曲线数据库，实现自动加载、比例缩放、截取等功能。

設计人员在UG环境下对枪械系统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，并导入motion模块进行求解（此步骤的目的在于导出ADM格式），之后导出ADM格式文件（包含实体信息文件.xmt_txt和约束信息文件.adm）。根据指定枪械，建立其零部件间碰撞关系表，基于Adams环境开发接口，读取该碰撞关系表所包含的碰撞信息，实现仿真模型中接触关系的自动添加；通过选取外部载荷文件，实现气室压力、膛压的自动加载。

当仿真模型中零部件需要改变时，基于Adams环境开发相应的接口，在保证原仿真模型零部件间的运动副、约束等关系等拓扑关系不变时，选取所需替换的零部件，导入外部修改好的零部件，实现零部件的自动替换。选择仿真脚本，对仿真结果进行后处理分析查看，输出仿真报告。

4 杀伤元侵彻明胶靶标设计仿真一体化

基于VB与APDL的参数化建模方法，开发杀伤元侵彻明胶的参数化建模与仿真系统。能够实现参数化建模、自动求解及结果查看等，杀伤元侵彻明胶[7][8]的参数化建模与仿真系统主要由用户界面模块、材料管理模块、APDL命令流模块、ANSYS接口调用模块、地址调用模块、后处理调用模块、数据库组成（图5）。通过此系统，用户只需在前台界面的引导下选择或输入杀伤元和明胶几何参数、材料参数、侵彻初始条件、求解参数等，系统将自动完杀伤元侵彻明胶的参数化建模命令流的编辑，并通过后台调用ANSYS，载入命令流文件进行仿真计算，输出结果。

5 结果与结论

①基于产品数据管理（PDM）与仿真数据管理（SDM）两大系统集成，设计人员在PDM系统内创建并发起仿真任务，仿真人员在PDM系统内接受仿真任务，SDM系统自动同步创建仿真任务，当审签流程通过后，自动触发接口流程在当前报告所属的分析任务下创建分析报告对象，并将报告文件自动检入到SDM系统，该方案分析报告挂在SDM系统下对应的数据对象下，实现了设计仿真流程上的一体化，很大程度便于设计仿真管理。②基于UG和Adams，开发枪械自动机动力学设计仿真一体化，实现了包括零部件名称的一致性、零部件间接触关系的自动建立、零部件参数修改及零部件替换、外载荷计算及自动加载、仿真结果快速查看及仿真报告快速生成，减少了仿真模型的修改，实现枪械改进设计后原动力学仿真模型重用及模型快速更新。③基于VB和APDL的参数化建模方法，并设计与开发了球形和枪弹杀伤元侵彻明胶的数值仿真系统，有效的将ANSYS二次开发技术应用于杀伤元侵彻明胶分析，实现参数化建模、自动求解及结果查看等，为仿真分析人员碰到问题和不熟悉专业ANSYS/LS-DYNA软件应用之间的矛盾提供了有效的方法和途径，对用户而言，该系统方便易用、效率高。

参考文献：

[1]史美林，杨光信.一个协同设计支撑系统原型—CoDesign[J].清华大学学报（自然科学版），1998，38（S1）：30-35.

[2]王魁生，李人厚，李宏敏，等.一个CSCW系统的设计与实现[J].小型微型计算机系统，2001，22（2）：218-241.

[3]韩韬，傅秀芬，苏辉贵，等.基于CSCW的异构数据库集成管理研究[J].计算机工程与应用，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，柴旭东.复杂产品虚拟样机工程[J].计算机集成制造系统，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.杀伤元侵彻明胶虚拟试验技术研究[J].兵工学报，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.