基于ADAMS／View 的高炮自动机动力学仿真平台设计❋

2013-09-04李正伟徐凤军高跃飞

机械工程与自动化 2013年6期

李正伟，徐凤军，高跃飞

（中北大学机电工程学院，山西太原 030051）

0 引言

自动机作为高炮的核心，其好坏直接决定了高炮的性能。在自动机设计阶段，为了得到各零部件的动力学响应，需要不断地针对设计机构建立虚拟样机进行动力学分析，且自动机零件繁多，结构十分复杂，每次对结构修改后，往往要对虚拟样机进行修改甚至重复建模，实现模型的参数化又很困难。而ADAMS除了具有很强的动力学分析功能外，还具有很强的二次开发功能，包括ADAMS／View界面的用户化设计、利用cmd语言编辑宏命令实现自动处理和仿真控制、通过编制用户子程序满足用户的某些特定需求，甚至可以拓展ADAMS的功能［1］。因此，为了简化每次重复修改、建立虚拟样机的工作，提高仿真效率，本文应用ADAMS中的View模块，开发了针对某高炮自动机的虚拟样机动力学仿真平台。

1 建立自动机虚拟样机

1．1 自动机介绍

自动机是自动炮的重要组成部分，主要完成自动重复装填和发射情况下发炮弹实现连发射击［2］。该自动机结构包括扣机部件、身管部件、进弹机、输弹机、炮闩部件和浮动机部件等部分，这些机构依靠炮箱组成一个整体，并安装在炮架上。

1．2 虚拟样机的建立

在对自动机结构特点研究分析的基础上，应用UG建立自动机各零部件的三维模型，并按火炮行军状态时自动机各零件的相对位置装配。装配时，应对自动机进行必要的简化，模型中一些次要的对结果基本不影响的零件可省略，不再装配或应用布尔工具合并到其固连的零部件上。

首先将简化后的自动机装配体导出Parasolid文件（．x＿t），然后将该文件导入 ADAMS中；然后修改各零件的材料属性，并根据自动机各零件的运动及位置关系添加约束副。该自动机为导气式自动机，载荷主要有弹底压力、炮膛合力、后效期作用力和导气室压力。其中导气室压力采用常用的布拉文经验公式法，因为其他载荷都与事先求得的p－t曲线有线性关系，所以先采用AKSPLINE函数拟合p－t曲线，然后乘以系数后转化得到。

2 动力学仿真平台设计

2．1 需求分析

仿真平台的功能主要包括：虚拟样机中零部件的质量、密度、转动惯量的修改；载荷施加、查看与修改；接触力参数、弹簧力参数的修改；零件替换功能；对部分变形量较大的零件进行柔性化处理；对不同仿真参数的结果进行对比分析。

2．2 平台结构

该平台主要包括启动文件、初始化文件、模型文件、菜单文件、对话框文件和平台帮助文件等。为了便于各文件的管理和读取，将上述文件按层次结构存放于同一目录下，其组织结构如图1所示。

2．3 启动文件与初始化程序

应用文本文件编写启动程序，并将文件名改为

“start．dat”，主要程序语句为：

call load＿help．bat

call D：＼MSC．Software＼Adams＼2012＼common＼mdi．bat aview ru－st i

启动过程为：首先运行start．bat文件，然后用start．bat调用load＿help．bat，将help文件夹中的帮助文件复制到ADAMS安装目录下的help文件夹中，随后，启动ADAMS安装目录下的mdi．bat文件打开ADAMS。虚拟样机模型的二进制文件命名为“aview．bin”，这样打开的ADAMS便自动搜索到该文件并读入打开。打开虚拟样机模型后，还要将定制好的菜单和对话框读入到虚拟样机环境中，进行动力学仿真平台的初始化。初始化的文件命名为“aviewBS．cmd”，模型文件打开后，ADAMS自动读入该cmd文件［3］。平台初始化文件的主要程序语句为：

！界面改为经典模式，便于菜单显示

defaults interface style＝classic

！读入菜单文件

interface menubar read menubar

＝．gui．main．mbar file＝"．＼mnu＼automat＿cla．mnu"

！建立新对象库“．my＿gui”

library create library＿name＝．my＿gui

！读入一系列对话框文件

file command read file＿name＝"．／dia／create＿part．cmd"

……

2．4 用户化菜单设计

在ADAMS／View环境中，应用Tools＞Menu＞Modify工具，遵照菜单语句的语法格式，添加用户需要的菜单命令，并导出为“．mnu”文件，菜单结构如图2所示。

图1 平台组织结构

图2 用户菜单结构图

2．5 对话框设计及功能分析

2．5．1 参数修改对话框

仿真时，经常需要对一些参数进行修改，由于在模型树中一一查找又很麻烦，因此建立如图3所示的参数修改对话框。但自动机中零件繁多，接触关系复杂，不可能将所有接触力全部在对话框中呈现出来，所以图中的接触力和弹簧的参数对话框，只标注出一些对仿真结果影响较大的接触关系和弹簧力。仿真时，可方便地对参数进行修改，对于其他接触力的参数可通过提前定义好的设计变量统一修改，提高仿真效率。

2．5．2 载荷修改对话框

在ADAMS内部对话框“Modifyspline”的基础上添加了载荷单选框控件，建立载荷修改对话框，如图4所示。

图3 参数修改对话框

图4 载荷修改对话框

2．5．3 零件替换

当需要替换Part时，可用宏命令实现零件的自动替换，考虑到通用性只替换零件的Solid。而且零件的Mark点等质量属性信息保留，对约束副的i Mark和j Mark没有影响，所以无需删除零件间约束关系。零件替换的具体过程为：①删除虚拟样机内所有的接触力；②删除需要替换零件的实体；③导入新的实体并重新命名；④重新添加原始接触力。

2．5．4 仿真结果查看

仿真结束后，为了方便查看仿真结果，将需要重点关注的零件的动力学响应曲线融合到如图5所示的结果查看对话框中，用户只需点击相应的按钮，曲线就可显示在绘图区。

图5 结果查看对话框

2．5．5 帮助文档

为了方便用户的使用，将各种功能的使用方法步骤编辑组织在一起形成“．mht”文件，保存在目录下的help文件夹中，在平台初始化时，通过批处理命令将该文件复制到ADAMS安装目录下的help文件夹中，用户可通过用户菜单项中的help打开。

3 仿真算例

以某高炮为例，在0°高低角、导气室调节孔直径为Φ2．8mm工况下对火炮循环射击时自动机的动力学响应进行仿真分析，基础构件炮闩座的速度－时间曲线如图6所示，炮闩座后坐最大速度为（17．4±0．3）m／s。将上述仿真结果与指标数据［4，5］对比，误差约为6．5%，满足误差要求，说明虚拟样机可信，仿真结果具有一定的参考价值。