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1、第二届中国C A E 工程分析技术年会 膛炮系统的虚拟样机仿真和分析 万晓峰 ( 比利时L M S 公司北京代表处，北京1 0 0 1 0 1 ) 摘要：介绍了虚拟样机技术的发展和应用，并给出多体系统动力学的理沦基础将虚拟样机技术应用于某膛 炮系统的仿真，在L M SV ir t u a l L a b 平台下建立了膛炮虚拟样机，将艘炮系统中关键部件换向嚣秉性化，分 析预测其在运动过程中出现最大应力的位重，为换向器的避一步设计和优化指名了方向 关健词：虚拟样机；多体系统动力学：膛炮；换向器 1 引言 虚拟样机技术( V P ) 是将先进的仿真和建模技术、多领域的数字化设计技术、交互式用 户界面
2、技术和虚拟现实技术( V R ) 综合应用于产品开发的一种综合性技术，核心部分是多体 系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支，数值算法及时地提 供了求解这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发展为这项 技术提供了友好的用户界面，同时，C A D F E A 等技术的发展也为虚拟模型技术的应用提供了 技术环境。 在国外，虚拟样机技术已较广泛用于军事工业、汽车及其它制造业的产品研发当中，极 大的缩短了产品研制周期，降低了研制成本，提高了产品的竞争力。如在夔国爱国者罗兰特 尾刺导弹研制中，实验次数降低了3 0 4 0 ，缩短研制周期3 0 - - -
3、4 0 ，节约费用约1 0 - - 4 0 。L i n 和F a r a h a t i | I 以发动机叶片全自动装配为目标，建立了基于C A D 的虚拟样机，通过物理样机验 证了用虚拟样机来分析和评价叶片装配过程的有效性。国内也在虚拟样机技术f2 。4 及其麻H 上 进行了“泛的研究，如应用虚拟样机技术进行月球机器人运动仿真 5 1 、飞行器分布仿真I ”、高 炮运动学仿真”1 以及火炮维修仿真系统口J 等。 L M S V i r t u a l L a b 是比利时L M S 公司开发的、世界上第一个功能品质工程集成解决方案， 可在系统级上对产品的疲劳、振动、噪声、平顺性与操纵稳定性
4、、舒适性、安全性、接触和 耐久性等关键属性进行分析和研究。 本文采用V i r t u a l L a b 为平台建立某膛炮系统虚拟样机，对膛炮系统进行多体动力学仿真 分析。 2 理论背景 以刚体i 的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉参数P ，0 = o 1 ，2 ，3 ) 作为广义坐标，即 吼= I x , 弘z t 岛，q ，巳，岛r ( 扛l ，2 ，L ，帕，9 = 井，旌，菇 ，根据多刚体系统动力学理论中的拉 格朗日乘子法建立的微分代数方程组为【9 I ： 丢曾一争忡州T 舢 完整约束方程 似q ，f ) = o ( 2 ) 第二届中国C A E 工程分析技术年会 非完整约束方程0
5、 ( q 、童f ) ：0 ( 3 ) 其中，7 _ 表示系统的动能，和z 为拉格朗日乘子，下标q 和q 分别表示对q 和q 的偏导数， O 为广义矩阵。 虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学，它包括多刚体系统动力学和多柔体系统动 力学。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式 的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束，研究这些系 统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其它一些量的公式， 各个构件之间可以有较大的相对位移。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组 成的系统，一般以多转B 体系统动力学的
6、研究为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，常用 的方法有模态分析法、型函数法和有限元法将柔性体的分析结果与多刚体系统的研究方法 相结合。最终得到系统的动力学方程。 目前多体系统动力学已经形成了比较系统的研究方法，其中主要的方法有：拉格朗日乘 子法，牛顿一欧拉方法，凯恩方法和图论方法。 3 膛炮系统边界条件 根据航炮系统的实际结构和运动关系。对实际膛炮模型进行相应简化。其中箱体、曲线 板为基础件不参加运动，如图1 所示。 图l 膛炮结构图 后坐时，活塞为主动件，滑板为平动从动件，活塞与滑板之间初始间隙为3 m m 。活塞受 力F 为气室压力P q 作用在两个直径为3 2 r a m 的圆柱端面上
7、的台力，活塞在该力的作用下产生 后坐运动消除3 m m 间隙后撞击滑板。后坐过程中，滑板受后坐阻力F R 的作用。活塞运动完 6 0 m m 后受机构约束不再后坐，滑板靠惯性后坐到位，全行程为1 9 0 m m 。后坐到位后，F 。变 成前冲力驱动滑板前冲。滑板运动到前冲终点，此时一次射击过程完成。如果是连续射击过 程，在一次射击完成后，系统需要4 m s 的准备时间，然后开始下一次击发协作过程。主要受 力和运动构件如下图所示。 第二届中国C A E 工程分析技术年会 图2 主要受力构件图 其中活塞与滑板所受载荷示意图如下 后坐 F F R L 1 51 2 J - 一 复进 图3 受力示意图
8、 l k 的计算公式如F ， F R = 1 3 0 0 + 2 9 x F R = 1 6 0 0 - 2 7 x 其中x 为滑板行程，单位为m m 。 气室压力P q 计算公式如下： 后坐过程 前冲过程 1 】 ( 2 ) P q = p x ( e 1 7 + O 0 3 ) ( 3 ) 其中：P 为膛压，t 为炮弹膛内运动时间。P 与t 的函数关系统见下表( 时间以复进到位为0 ) 表1P 和t 函数关系表 序号 l23456789 时间t ( m s ) O44 14 24 64 74 955 1 压力P ( M P a )O 3 3 03 0 52 8 02 0 11 9 71 7
9、 01 5 01 4 1 序号 l O1 11 21 3t 41 5 1 6 1 7i 8 时间t ( m s ) 5 25 45 65 866 2 6 4 6 56 7 压力P ( M P a )1 2 2 1 1 51 0 18 87 56 55 65 3 50 转动从动件为滚筒体( 后坐转4 5 0 ，复进转4 5 。) ，其上的滚轮在平动从动件“人字”梢内运 动，通过换向器( 在基础件曲线槽内运动换向) 。如下图所示。 3 9 8 第二届中国C A E 工程分析技术年会 图4 滚筒体和换向器示意图 4 膛炮虚拟样机模型的建立 4 1 机构建模 在膛炮系统中，换向器有着非常重要的作用，它
10、巧妙的利用后坐前冲的能量，驱动 滚筒体转动相应的角度( 后坐转4 5 0 ，复进转4 5 。) ，从而实现了自动换弹的功能。换向器 一端和滑扳相连，另一端在曲线槽内滑动。在膛炮前冲后坐过程中，换向器通过在特殊 设计的曲线槽内往复滑动实现换向的功能。本文以后坐到位为初始位置开始仿真，此时 换向器和人字槽的下半部分组成了一个贯通的滚轮滑道1 ( 如图5 ) 。在前冲的过程中 换向器姿态保持不变，滚轮在特定的轨道内滑动，迫使滚动体逆时针( 前冲方向) 旋转 4 5 度角。前冲结束时，换向器在曲线槽的引导下摆动相应的角度，和人字槽的上j p 部分 组成另一个贯通的滚轮滑道2 ( 如图6 ) 。后坐过程
11、中，在曲线槽的引导下，换向器的姿 态保持不变，滚轮沿着特定的轨道滑动驱动滚动体继续逆时针旋转45 度角。就这样， 在不断的后坐前冲过程中，滚筒体按照相应的角度转动，实现自动换弹的功能。 图5 前冲过程中滚动体滚轮运动轨道示意图 一 塑三旦! 里曼垒呈三堡坌堑垫查堡垒 图6 后坐过程中滚动体滚轮运动轨道示意图 换向器受力很复杂- 前冲后坐过程中时的冲击力会通过滑板传递到换向器上，同时 还受到和滚轮、曲线槽、人字槽之问的接触力的作用。本文把换向器柔性化，重点考察 膛炮系统运动过程中换向器上的最大应力出现的位置，为换向器的结构设计提供了有利 的参考。 建立换向器有限元模型如图7 所示。材料：E =
12、2 1 ，e l l P a , v 铷3 ，p = 7 8 0 0 k 咖3 。 图7 挨向器有限元模型 在V i r u t a l L a b 中将建立好的抉向器有限元模型导入膛炮虚拟样机系统中，软件根据已经 定义好的约束副信息自动将原换向器刚体模型替换成有限元模型，建立剐柔耦合膛炮多体动 力学模型，如图8 所示。 第二届中国C A E 工程分析技术年会 图8 膛炮虚拟样机 在约束副的中心节点处生成对应的I n t e r f a c e 点( 对接界面点) 。I n t e r f a c e 点的生成表明换 向器有限元模型已经和膛炮系统相互耦合。I n t e r f a c e 点
13、通过约束副和有限元模型的节点一一对 应。通过I n t e r f a c e 点，实现换向器柔性体和膛炮系统中与该柔性体相连的其他刚体间的力和 运动的传递。同时，软件将自动地把这些边界条件存贮在I n t e r f a c e 点中，为下一步计算换向 器有限元模型的C r a i g _ B a m p t o n 模态做好准备。生成I n t e r f a c e 点的同时，系统自动更新换向 器有限元模型文件。多体计算时需要用到有限元模型的C r a i g b a m p t o n 模态。在V i r u t a l L a b 中 创建一个用a n s y s 或n a s t
14、r a n 计算C r a i g - b a m p t o n 模态的工况，选择刚才创建的I n t e r f a c e S e t ，可 以在后台直接驱动n a s t r a n 或a n s y s 计算C r a i g模态，非常快速便捷。_bampton 4 2 施加约束 V i r t u a l L a b 软件提供了丰富的约束库，可以方便的实现约束的施加。高性能设计功能加 速了部件和建模的装配。当创建运动副时，需要连接的部位会自动地连接在一起，并且当修 改一个部件的尺寸时，V i r t u a l L a bM o t i o n 会自动地更新整个系统。可以导入各个零
15、部件，创 建运动副的同时自动确定各个零部件之间的位置关系，而不需要事先对各个零部件进行装配， 大大节约了建模时间。而且，在分析的过程中。可以随意的对零部件的位置进行更改，系统 自动更新整个系统的装配位置关系加快工程分析的进程。建立好膛炮虚拟样机的动力学物 理模型约束副如表1 ： 表2 膛炮虚拟样机约束副信息 约束副约束副个数被约束部件 固定副 1 两个活塞之间 移动副 l 滑块和箱体之间 移动副 1 活塞和箱体之间 旋转副 I 换向器和滑板之问 4 3 施加力 a ) 接触力 V i r u t a l L a b 提供了各种类型的接触力。专业的接触选项( 如s p h e r e t o e
16、 x t r u d e d - s u r f a c e c o n t a c t 等) 可以在保证计算精度的同时，大大提高接触求解的速度。传统的CAD 接触选项 可以使用户建模并模拟任何几何形状物体之间的非定常接触，基于准确的实体模型计算接触 面和侵入深度。膛炮系统中接触较多，考虑计算的速度，采用s p h e r e t o - e x t r u d e d s u r f a c ec o n t a c t 来模拟活塞和滑板之间、滑板和箱体以及滚轮和滑板人字槽之间的接触力。由于换向器是有 限元模型利用L M SV i r t u a l L a b 独特的刚柔接触功能模块，在滚轮和换向器以及换向器和曲 线槽之间定义刚柔接触。 b ) 控制力 在膛炮射击过程中，以下几种力是比较复杂的，他们的大小和方向同时受到时间和物体 位置的双重控制。这些力包括滑板受到的前冲力和后坐力，活塞受到的膛压力以及活塞复位 力。V
