轻武器协同仿真模式设计与实现

2020-10-12苑大威

兵器装备工程学报 2020年9期

关键词：轻武器多任务枪械

苑大威，贾飞，李坤

(1.瞬态冲击技术重点实验室, 北京 102202； 2.中国兵器工业第208研究所, 北京 102202)

近年来，轻武器科研项目种类多、领域广、学科交叉性强，对仿真的需求越来越多。轻武器涉及多体动力学、结构强度、疲劳寿命、气动、传热、威力等多个学科。同时轻武器产品研制过程需要仿真全面对其功能性能进行分析评价，仿真任务量越来越大。

传统的仿真工作模式难以满足大幅度增加的仿真需求：

1) 仿真流程串行、效率低。缺乏严谨的仿真流程，现有的模式难以应对多项目仿真工作。

2) 求解速度慢。仿真本机求解速度慢，面对多个仿真任务只能按先后顺序求解，严重影响了分析进度，无法满足设计人员的需求。

3) 仿真数据和经验数据得不到积累。仿真数据缺乏行之有效的管理，数据量大且存储混乱。

航天航空领域重点研究复杂航天产品性能样机的分布式协同建模方法、协同仿真方法、协同仿真模型库的构建方法和协同仿真优化方法[1]；针对复杂产品，进行了虚拟样机设计分布式协同高层建模[2]；针对机电伺服系统，实现电力电子、控制和电磁场的多学科协同仿真与虚拟试验[3]。与大型装备不同，轻武器包含各类枪械、多种弹药、班组武器、无人装备等几十种产品，仿真工作具有产品种类多，多任务并行、多学科协同的特点，本文将轻武器产品仿真过程集“仿真建模、并行求解、数据管理”于一体，全面地规范仿真流程，为多项目多任务的仿真工作提供协调、高效的方法，同时实现仿真实例参考、仿真经验积累和仿真数据查询。

1 协同仿真总体方案

基于轻武器产品项目多、学科广、仿真任务多等特点，基于PDM、SDM、LSF三大软件系统定制开发建立面向多任务并行的轻武器协同仿真模式，从模式架构层次，分为管理层、应用层和基础层。管理层主要是任务和流程，面对多个产品的仿真项目，梳理轻武器仿真流程，形成的“设计—仿真建模—并行求解—数据管理”仿真流程，仿真过程数据有序管理，仿真任务在线并行求解，仿真报告在线审签；应用层主要是研究多任务并行的协同仿真工作模式，即仿真工作并行开展，仿真人员相互协同，同时开展多个项目的仿真分析工作；研究动力学、结构力学、气动力学等仿真分析规则与快速建模方法，保证了仿真模型一致性，提高多任务仿真效率；基础层在于建立高性能软硬件集成调度系统，实现并行求解，建立轻武器专用的仿真资源库，将仿真实例、载荷参数、材料参数、仿真经验、失效零部件分析等入库管理，实现仿真数据高效的传递、继承和重用。如图1所示。

图1 轻武器协同仿真方案框图

2 协同仿真管理层设计

该模式将产品数据管理系统PDM、仿真数据管理系统SDM、高性能软硬件集成调度系统LSF等功能融于一体。基于PDM、SDM、LSF三个软件系统定制开发，通过三个软件系统之间数据传输，实现PDM仿真任务发放、仿真报告审签，SDM进行数据分析及存档，LSF并行求解等仿真工作，如图2所示，在轻武器仿真流程中，设计人员完成三维模型设计后通过PDM进行仿真任务发放，仿真负责人接收仿真任务后在SDM进行仿真任务分配，仿真人员进行建模并提交至LSF求解，仿真完成后在PDM提交仿真报告进行审签，同时在SDM完全仿真过程数据的存储[4-5]。

仿真数据按照业务逻辑分类保存管理。存储的数据主要包括：仿真分析过程数据和结果数据，包含分析对象(产品、子系统、零部件)、分析方案、各种模型(例如待分析的设计模型文件、简化几何模型文件、网格模型、分析模型)、求解文件、试验结果数据(文本)、原始结果、关键结果、分析报告等；其中设计模型、分析模型、求解文件和分析报告是需要具有版本管理机制的数据类型。

模式以数据进程图的形式显示数据的进程，谱系框图中数据类型先后关系为分析对象→方案→仿真数据(包括设计模型、分析模型、求解文件、计算结果、关键结果、分析报告等，形式如图3所示。

图2 轻武器仿真流程框图

图3 仿真数据谱系视框图

3 协同仿真应用层设计

3.1 建立多任务并行协同仿真模式

对于轻武器产品种类多、任务多的特点，产品研发过程中要进行仿真分析的内容繁多，从技术角度看，不管协同仿真过程多么复杂，都可以通过层次分解来简化协同仿真过程，将整个仿真项目分解为若干子项目，每一个子项目又可分解为若干分析类型，每一个分析类型又由若干仿真任务构成。根据分层建模理论，轻武器协同仿真层次化模式如图4所示，从上至下依次为项目层、子项目层、分析类型层和仿真任务层[6-8]。其中：

项目层是协同仿真过程最高层次，是协同仿真的总任务，如某步枪全枪性能仿真分析。

子项目层是一种基于协同仿真的逻辑结构层，可按仿真需求或学科领域动态设定，保证协同仿真的快速性和并行性。

分析类型层是在较粗粒度上对项目进行的划分，由相互之间存在一定顺序关系、制约关系、数据需求关系的若干分析类型组成，如枪械仿真，涉及多体动力学、结构强度、爆炸力学、气动力学等。

仿真任务层是在较细粒度上根据不同分析类型要求所进行的划分，对于仿真人员，仿真工作基本都包括建模、前处理、求解、后处理、结果分析等一系列工作。

基于协同仿真层次化模式，研究制定仿真经验与仿真理论建立了面向多体动力学、结构强度、爆炸力学、气动力学等仿真的分析规则，统一各学科仿真从建模，求解到分析的方法，消除了因个人建模差异。基于对导气压力、机构动力学、侵彻威力、强度分析、疲劳寿命等仿真的输入与输出数据形式与内容的整理与分析，明确各学科仿真结果数据流转的形式，梳理枪械、弹药、班组武器等多领域多产品仿真要求，形成了仿真快速响应的仿真机制。

图4 协同仿真过程的层次化框图

3.2 仿真规范化及快速建模

分别基于动力学仿真软件Adams、爆炸/冲击力学仿真软件Dyna进行了定制开发，通过嵌入动力学仿真建模规则、枪弹网格划分规则、经典导气压力方程、枪弹终点威力计算方程，实现了枪械动力学自动建模、枪弹网格自动划分、枪械动力载荷快速计算[9]、枪弹终点威力快速计算，如图5、图6界面所示，节省了依靠人工进行零件命名、接触对象选择、网格绘制、导气载荷与枪弹终点威力计算的公式查询与参数查表的工作量与工作时间。

图5 枪械动力学快速建模软件界面

4 协同仿真基础层设计

4.1 多任务仿真并行求解计算

枪械、弹药、班组武器等多个轻武器仿真项目，需要进行包括多体动力学仿真、弹道学仿真、结构力学仿真、人机工效学仿真、声光电学仿真以及可靠性综合仿真等大量的仿真分析计算任务，如枪械的机构运动(平、俯、仰射状态自动机运动仿真、自动机反跳等)，枪械零部件结构强度(闭锁强度、枪管强度、拉壳钩强度、活塞强度等)，零部件疲劳寿命预测，人机工效分析(扳机力预测、抛壳轨迹分析、后坐力预测等)，射击精度预测分析(枪械的模态分析、全枪射击振动仿真等)，跌落分析，膛口制退器流场分析，战斗部威力分析，气动分析以及电磁场分析等，提交的仿真计算作业可达到上百个，并且包含多个学科，通过高性能硬件配置条件，根据用户的级别分配资源[7-8]，依次自动将等待的计算任务提交，如图7界面所示。否则就需要人工等待提交和24 h实时查看计算的进度，造成计算时间和人员时间的浪费。

图7 高性能计算软硬件集成调度系统界面

4.2 建立仿真资源库

对轻武器仿真专用的基础资源，建立枪械、弹药、班组武器的仿真实例库、仿真经验库、仿真模型库、仿真参数库、仿真结果库、失效零部件分析库等，丰富了仿真基础数据，保证数据使用的一致性，极大地方便了仿真人员快速调用、参考，实现仿真数据高效的传递、继承和重用，如图8、图9界面所示。

图8 仿真资源库构建框图

图9 仿真资源库界面

其中，仿真参数库包含专项测试的25Cr2Ni4WA、30CrMnMoTiA等枪械常用材料、新材料的静态拉伸性能参数、快速拉伸参数、低周疲劳性能曲线、裂纹扩展参数等数据；材料参数库包含各类口径枪械的膛压曲线参数、各类仿真的摩擦参数、接触参数等，直接为仿真建模提供准确的输入数据。

仿真经验库包含动力学仿真弹簧设置、接触设置、摩擦设置、精确建模等方法总结，有限元网格划分方法总结，闭锁强度仿真、疲劳寿命仿真、导气压力仿真、爆炸侵彻威力仿真等仿真经验；仿真实例库包含枪管强度仿真、活塞强度仿真、保险可靠性仿真、枪管炸裂仿真、空膛/骑弹/有弹挂机故障仿真等各类经典仿真实例，为后续仿真建模提供参考依据。

失效零部件分析库包含枪械导柱、击针、拉壳钩、击锤、枪机卡榫、空仓挂机、扳机拉杆等破损件断口分析，枪管磨损、空仓挂机热处理理化分析等，为仿真结果提供指向性依据。

同时，将仿真载荷参数、材料参数、仿真实例定制到仿真软件中(界面如图10、图11所示)，直接调用用于仿真建模，有效保证多任务仿真数据统一，实现仿真数据高效的传递、继承和重用。