（机械电子工程专业论文）某自动机械动力学仿真分析.pdf

硕士学位论文某自 动机械的动力学仿真分析 ab s t r a c t b a s edo n th e re s e aj rc h o f v i rt . a p ro to t y p e techoo l o gyo f a u t o m at i c w e ai ” n s and taken s o me l 雌e cali ber m 朗 hi neg l masre s e ar c h o bj e c 仁 th e a p p 1 i c atio n s o f this techno l o gyin th e 6 el do f a ut o m a t i c w eap o n哪 i n v es ti g a te d . t b e m a 川contents are asfoll ows:1 . t h e pr ot o 协 ， e m o d e l o f the l a r g e c al i ber lr 以 c hi n e g u n i s e s ta b l i s h edb 留 edont h e th eoryo f ri gi d m u 】 t i 一 比d yd ynamic sby us in gthe so n w ar oo f a d a ms . t b em otio nandd yn别 侧山 c 坛 川 鱿 t e rso f re l at i v e p a rt s o f 如n gare o b ta in e dby s i m u l atio n . i t changes the w 盯 o f 。 b ta i ni ngd e s l gnedd ynalnicp a x 出 n et e rsby testsand m akes甸l use ofv ir tl la 1 p r o t o 勺 ， in g techno lo gy adv a n ta g e s . the m ode l in g w a y i s v e ri fi edb y c o m p a n n g o f t e st s d a taandi s l ai d th e t e sti飞 允 u n d a t l o n tofu rt h e r e s ta b l i sh旧 n o r e acc u ra t e s 如u l at i o nmo d e l . 2 . u n d er the co ns i d e r a t 1 ono f i ntegr ationo f env i ro nment al丘 ic t o rsan d th e i明u en c e o f so i l . s p ade ， the m o d e l o f v inua】 p r o t o ty peinthe typi c alant l 一 a i r c r a ftfi 邝condit i o n i s e s ta b l i she d . the d 刃 坦 m i c alc h az ac t e r s o f v l 比 司排 。 t o t 习 ”mod eiare com p a ra t i v el y a n a l y zedbetwe enth e co nditi o nso f d ir ec t fi reand ant卜 眨 代 r a ftfi re . 3 . b 姗d o n the m odelo f ri gi d multi 一 body， b arre l and m o u n t are fl exi b l y p r o c e s s ed. the ri gi d fl excoupl edm o d e l i s ai s o e s i a b l i s h e d . a l m edatl aun ch d y n amic s ， the p a 住 吐 n e t e rsv ariations and m u z z l e d yt 团 川c re s pense are 。 b ta in ed. t h e s li n u l ation出 父 u a c y ise 汕anc 七 d b y comp如n g re sultso f di ffere nis 如ul ation e n v l r d n r 口 e n ts k e ywo r d s : a u t o m at i c w e apo n s ， d y na r n l c s ;s im u l at io n ， ri g id-fl exi b l e c o upl i n g ， a u t o m at i c m e c h ani s m ， v i rtualp r o t o ty p e . n一 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 迁 转 二 鱼 一 问年” 月 马 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文 ，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 二 - 生卜 呜 匕问 年1 月息 日 . 硕士学位论文某自 动机械的动力学仿真分析 1绪论 ， . ， 选题背景和意义 虚拟样机仿真技术是一门综合多学科的技术，它是在制造第一台物理样机之前， 以 机械系统运动学、 多体动力学、 有限元分析和控制理论为核心， 运用成熟的计算机 图形技术， 将产品各零部件的设计和分析集成在一起， 建立机械系统的数字模型， 从 而 为 产 品 的 设 计、 研 究 、 优 化 提 供 基 于 计 算 机 虚 拟 现 实 的 研 究 平 台 i 。 自 动武器自 动机动力学和发射动力学特性一直是武器研制， 试验中最关心的问题 之一， 长期以 来自 动武器动力学分析一直采用古典动力学法， 利用替换质量， 传动比 和传动效率等概念来对机构进行动力学分析， 这是一种简单， 直观的分析方法， 但是 由于模型的大量简化， 自 动武器中许多重要特性无法得到精确定量的分析。 另一方面， 现代战争对武器设计研制过程， 研制方法， 效能评估手段等提出了更高的要求， 要求 缩短武器的研制开发周期， 降 低成本， 提高效率。 因此改变传统的设计模式， 将虚拟 样机技术引入自 动武器设计及研制领域是很必要的。 ， . 2国内 外研究现状 1 :2虚拟样机技术概述 面对越来越激烈的市场竞争， 企业要保持竞争优势， 就必须在最短的时间里设计 并生产高质量的满足用户需求的新产品。 在这种形势下， 虚拟样机技术应运而生， 其 目的是取代物理样机，降低开发成本和周期，提高设计质量。 关于虚拟样机的具体内 涵， 目 前尚 无统一的定义. 美国国防部对虚拟样机技术下 的 定 义 是: “ 使 用 虚 拟 样 机 代 替 物 理 样 机 对 设 计 方 案 进 行 测 试 和 评 估的 过 程”2j ; 美 国u a r k大学 ( u ni v ersi tyofark an sas) 虚拟 样机技 术实 验室 ( 明 功 阻 i p roto typin g l aborato ry ) 的 研究 人员 认为 : 虚 拟 样 机 技 术是 在一 个 人 造的 四 维 交 互 环 境中 对 新的 或 修 改 的 想法， 概念， 产品， 模 式， 过 程 等 所进 行的 设 计， 仿 真 和 试 验; jo seph p. 等 人认为， 虚拟样机技术意指在产品开发过程中采用计算机模型取代物理模型， 其目 的 是 降 低 构 造 物 理 模 型 所 需 的 时 间 ， 成 本 和 材 料 t3) ; c o m p te k 公 司 的 伽 h od gs on认 为 ， 虚拟样机技术是一门基于软件的学科， 它在建立物理样机之前， 对一个几学系统进行 建模， 在实际的操作条件下对它的三维运动行为进行仿真和显示， 并通过反复的设计 研究 来 改 进 和 优 化 方 案闭 : r e alltyp ro to ty p i n g ，v rp) ， m i kkok e r tt u l a等人称之为虚拟样机原型技术 ( virt 拙 al 认为v 砂 是建立原型的过程， 在计算机上利用计算机模 . 一 硕士学位论文某自 动机械的动力学仿真分析 型 和 虚 拟 样 机 技 术 对 产品 的 行 为 和 使 用 情 况 进 行 拟 真的 模 拟5 。 鉴于以上各种观点， 可以宽泛的把虚拟样机技术理解为一种基于产品的计算机仿 真模型的数字化设计方法，它涉及到多体系统运动学与动力学建模理论及技术实现， 是基于先进的建模技术、 多领域仿真技术、 信息管理技术、 交互式用户界面技术和虚 拟现实技术的综合应用技术。 l 2. 2虚拟样机技术的发展及研究现状 虚拟样机技术不仅是计算机技术在工程领域的 成功应用， 更是一种全新的机械产 品设计理念。 运用虚拟样机技术可以 快速地建立包括控制系统、 液压系统、 气动系统 在内的多体动力学虚拟样机， 实现产品的并行设计， 可在产品设计初期及时发现问题、 解 决 问 题， 把 系 统的 测 试 分 析 作为 整 个 产 品 设 计 过 程 的 驱 动 6 . 虚拟样机技术己被广泛应用在航空航天、 汽车制造、 工程机械、 铁道、 造船、 军 事装备、 机械电子，以及娱乐设备等各个领域。 在航空航天领域有许多成功应用: 空 间系统的捕捉与对接， 飞船与空间飞行器发射、 对接、 着陆过程仿真， 太阳帆板展开 机构分析与设计， 飞机起落架工作过程等。 在军用装备方面有目 标跟踪系统与控制系 统设计， 武器装填与发射系统仿真， 履带式和轮式车辆动力学仿真， 重型坦克跨越障 碍能力， 坦克行驶稳定性优化与炮塔控制等。 通用机械方面， 虚拟样机技术在机器人、 纺 织 机 械 、 工 业 机 床 、 包 装 机 械 等 生 产 机 械 领 域 有 更 广 泛 的 应 用 61 一 l . 在国外， 虚拟样机技术在一些发达国家， 如美国、 德国、 日本等已得到广泛应用， 并有许多成功应用虚拟样机技术解决实际问题的案例: 美国波音飞机公司的波音7 77 飞机是世界上首家以无图纸方式研发并制造的飞机， 其设计、 装配、 性能评价及分析 均 采 用了 虚 拟 样 机 技 术， 这 不 但使 研发 周 期 大 大 缩 短 ( 其中 制 造周 期 缩短50 % ) ， 研 发成本大大降低 ( 如减少设计更改费用94%) ， 而且确定了最终产品一次接装成功; john d e e r e公司为解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自 激振动问 题， 利用虚拟样机技术不仅找到了原因而且提出了改进方案， 并在虚拟样机上得到了 验证， 提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能:1 9 97年7 月4日，美国航空航 天 局困a s a)的 喷气推进实 验室 ( jp l) 成功 地实现了 火 星 探测器 探路号在火星上的 软着陆， 轰动一时， 正是在探测器发射以前， 开l 的工程师们运用这项技术预测到由 于制动火箭与火星风的 相互作用， 探测器很可能 在着陆时滚翻并最后六轮朝上， 并针 对这个问 题修改了技术方案， 保证了 火星登陆计划的 成功。 试想一下， 通用汽车公司 每年用于实际模型的建造及实验的费用有十亿美元， 福特汽车公司开发一辆中型轿车 的费用与波音公司开发7 47客机的费用相当， 可见虚拟样机技术有着非常广阔的发展 前景和市场， 事实上国 外的 虚拟样机技术的 商品 化过程早己 完成， 目 前有二十多家公 2一 硕士学位论文某自 动机械的动力学仿真分析 司在这个日 益增长的市场上竞争， 比 较有影响的产品包括机械动力学公司( m e c h a 川 cal d y n 别 盯 i c s ln c .) 的a d a ms 学公司占据了市场的 70% ， c a d sl的d a d s以及德国航天局的5 加队c k ， 机械动力 1 月 一 【 1 6 在国内， 虚拟样机技术的各方面研究起步比较晚， 但发展较快， 在自 动武器方面， 有敖勇的用k ane 方法建立9自由 度牵引火炮的多刚体模型， 同样张振有也是用k ane 方 法 建 立14自 由 度 的自 行 火 炮 多 刚 体 动 力 学 模 型 圈; 陈 效 华 用 拉 格 朗 日 法 对 步 枪 发 射 动 力 学 进 行 研究， 作了 较多 简 化 ， 推 导 略 显 繁 琐 洲; 曾 伟 胜 将图 论( r / w) 法引 入 自 动 武 器 动力 学 分 析25: 苏 光 雄 采 用 牛 顿 一欧 拉 法 建 立自 动 机 模 型 ， 不 需 要 补 充 方 程 ， 直 接 从 运 动 微 分 方 程 中 得 到 解 t26) ; 上 述 方 法 尽 管 思 路 清 晰 ， 中 间 过 程 推 导 复 杂 ， 但建模、 计算有较多简化。 随着计算机技术的发展， 可以利用大型软件来实现多刚体 理论在工程上的具体应用， 如王亚平利用a d a ms 对7. 62inm 冲锋枪的分析， 经过仿 真计算得到包括抛壳路线、 供弹路线在内的一套自 动机机构动力学特性， 并且建立了 人 枪 系 统 立姿 设 计 仿 真 模 型网; 石 明 全 对 火 炮自 动 输 供 弹 系 统 的 研 究 27j; 胡 志刚 建 立了以 多刚体动力学理论为基础的12 .7 nun 大口 径机枪多刚体发射系统的虚拟样机， 并 对 提 出 了 考 虑 驻锄 的 动 力 集 总 参 数 的 建 模 方 法网: 钱 秋 晓 运 用ada m s 建 立了 某 单兵自 卫武器自 动机的虚拟样机模型， 模拟实际工作状况， 仿真分析了自 动机的运动 情况， 并就开锁前自由行程和复进簧参数对自 动机运动的影响作了深入的分析， 得出 了 具 有 实 际 意 义 的 规 律 性 认 识 和 结 论 30: 郭 岚 运 用ada m s 建 立了 某自 动 取 齐 发 射 机的虚拟样机模型， 仿真发射机的运动情况， 对机构零件及零件之间的碰撞力进行仿 真 分 析 ， 验 证了 改 进后 该自 动 武 器 上 电 子 射 频 调 节 器 设 计 的 可 行 性 与 工 作 可 靠 性 321; 这些都能很好的解决实际问题， 计算效率和计算规模成倍的提高， 促进了多刚体在自 动武器上的应用不断成熟. 由 于我国的制造业水平离发达国家还有一定差距， 因此虚拟样机技术的应用将会 加快我们追赶的脚步， 结合我国国 情， 这项技术在以前几个方面都有广阔的应用前景: 1) 重点 机械投资项目， 这种项目 投资太大， 任何系统设计方面的失误都会带来巨 大的 经济损失。 运用虚拟样机技术不仅可以 避免损失， 而且会找到满意的优化方案。 与巨 大的 投资 相比， 建立虚拟模型及 模拟的 费 用微乎 其 微。 2) 样机引 进项目 ， 开放以 来， 我国 从发 达国 家引进了 各种机械设 备的样机予以 仿制， 来提高国内 产品的 水平， 但是 效果总是差强人意。 一个很重要的原因是仿制停留 在零件照抄水平上， 对于样机缺乏 系统水 平的理解， 设计人员对样机只知其然而不知其所以 然。 如果采用虚拟样机技术， 技术人员 便可对引进样机进行深入 研究， 可以 追踪样机的 设计思想， 进行子系统的模 拟 来 指 导 其 设 计， 更 重 要的 是 可以 发 现 样 机的 缺陷 以 便 索 赔 或改 造。 3) 国民 经 济的 骨 干行业. 像汽车工业、 工程机械行业、 军事工业及石油化工行业等， 这些行业对国民 . 3一 硕士学位论文某自 动机械的动力学仿真分析 经 济 的 应 用 会 带 来 可 观 的 经 济 效 益 10 一 t ， 。 l 2 3多体动力学的发展及研究现状 自 动武器的动力学仿真可以 从三种途径来建模分析: 第一种是采用多刚体动力学 理论， 将枪械及射手看成是由 若千个刚体或弹簧和阻尼器连接而成的多自由 度系统， 根据多刚体理论建立运动微分方程， 描述武器系统射击时的受力和运动规律。 第二种 是根据结 构力学理论， 采用有限 元法， 把武器分成有限 个梁或杆、 实体单元， 用这些 单元构成的动态有限元模型来代替实际物理结构， 通过对这些离散的组合体的研究来 反映系统整体的动力学特性。 第三种途径是采用刚柔祸合、 柔体动力学理论， 将武器 看成是由 若干个弹性体与刚体组成的多体系统， 建立动力学方程组来描述武器系统的 动力学行为。 1 .2 三 1 多 刚 体 动 力学 【“ 卜 1肠 卜 多刚体系统动力学是在经典力学基础上产生的分支， 其研究对象是由 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。对于多刚体系统动力学的研究，最早的工作是 hj. fl etcher 等人在 19 63 年讨论的由 两个刚体组成的系统， 使用的是向 量力学中的 n e wton 一 e u le r 法。 1 9 6 5 年w.w.h o o ker 和g m al gu l ie s 讨 论了由n 个刚 体 组 成的 多 刚 体系 统. 19 68年凡 e r o berso n 和工 w钻tt en b u 电把图 论中 的 概念 和 数学 工具( 关 联 矩 阵和通路矩阵等) 创造性地用于对多刚体系统的描述和动力学方程的建立中。 他们的 研究工作把多刚体系统动力学的研究推进到一个新阶段， 并且有了关于多刚体系统动 力学的一本专著。 目 前， 多刚体系统动力学发展已 经比较成熟， 国内外都有专著出版。 现在发展出的比较成熟的方法有: 牛顿一欧拉方法: 拉格朗日 方法: 罗伯逊一维登伯 格方法; 凯恩方法; 高斯最小拘束原理方法。 迄今为止， 凯恩一休斯顿方法是一种应 用最为广泛的、 面向 计算机的、 并且行之有效的多 体系统动力学研究方法， 但其仍然 有着应用繁琐等缺陷。 凯恩最早在其著述中指出: 随 着计算机技术的 发展， 多体系统 动力学方程的解算作为“ 瓶颈问题” 取得突破后， 将有限元方法引人多体系统动力学 研究 ， 在 机 构 ( 尤 其 是 空 间 复 杂 机 构 ) 的 分 析 方 法 方 面 有 着 广阔的 发 展 前 景。 近年 来， 国内外许多学者在这方面做了大量工作. 初步建立了 等效有限元法机构分析的理论框 架。 有限单元法在结构线性或非线性的动静力分析、 流体力学、 场分析等领域中 取得 了极大的成功，将其思想应用于机构分析则是多体系统动力学发展的主要趋势之一。 硕 士 学 位 论 文 某自 动 机械的 动力 学仿 真分 析 1 2 3 2多柔体动力学 3 3 ) ” 3 刀 随着工程中机械系统结构越来越复杂， 运行精度越来 越高， 机 械系统的动力学 特 性也变得越来越复杂， 部件中刚体假设的动力学模型已无法描述复杂系统的动力学性 态。 因此必须同时考虑部件大范围运动和构件本身的变形， 这种动力学模型称为刚一 柔祸合多体系统。 如果将刚体看作是柔性体的特殊情况， 则可将这类系统称为柔性多 体系统。柔体多体系统动力学是经典动力学、 连续介质力学、计算力学和现代控制理 论等多 学科交叉的边缘性新学科，它研究的是物体的变形 和整体刚性运动的祸 合问 题， 含有柔性部件， 其变形不可忽 略， 且系统的逆运动学是 不确定的， 刚 性运动与 变 形 运动的同时出现及其祸合是柔性多体系 统动力 学的 核心特征。 多 柔体系 统动力 学的 研究 开展得略晚一点，早期有r w.l i ki ns在 70年代初的 研究工作， 他采用的是 混合 坐 标， 后来被称为多 柔体系统， 这一 概念后来被广泛应用于多 柔体系统动力学中。 1 9 78 年c .5 .b od le y 等 人 公 布t 他 们的 d l s c o s( d y 执 田 旧 lc in te ra ct io n s im u lat io n o f c o n trols 曲ds tr u c ti 叮 e ，控制与结构动力学交互作用模拟)软件。到此，可以认为多柔体系统 动力学的发展已经初具规模， 它作为力学的一个重要分支的地位己稳固树立了。 1983 年n 八 t o 一 n s f 一 a r d主持了 关于机 构系统的 计算机辅助分析与 优化 会议， 也是以多 柔体系统动力学作为重要主题之一1 9 85 年 i u t a m 和 1 门dmm 又再次召开了多柔 体系 统动力学学术会议， 到 19 89 年由s tuttg art 大学的 力学学院主持了关于多体系统 动力学软件的测试，发表了一个手册，系统介绍了一些软件。 柔性多体系统动力学今后总的 发展趋势为: ( 1 ) 如何更好地同 具体的 工程问 题相 合; (2 ) 如何面向当 今飞 速发 展的 计算机技术;( 3) 如 何将现代控制理论引 入柔性多体 系统动力学中以 解决大型复杂柔 性机构的控制问 题; (4 ) 如何应用现代数学的 研究成 果。 l 2 3 3刚 柔 藕合 动力 学 【” 一 141 动力刚 化的 现象指出了 柔性多体系 统藕合动力学的零 次近似建模理论的不足， 但 是纵目 前述研究的进展， 研究工作主要停留在如何采用不同的研究方法去捕捉动力刚 度项， 或与其相同性质的项来对零次祸合模型的刚度项进行修正。 问题的症结为在某 种大范围刚 体运动下， 零次祸合的建 模理论未能 正确描述大范围刚体 运动与柔性体变 形运动 之间的 祸合关系。 作为多体 系统动力学， 对象是有大范围运 动的弹性构件构成 的 系 统，故 弹性构 件的大范围运 动的 边界运动未知。从这 个意义上讲， “ 动力刚 化” 的 概 念更多 地是指大范围的刚 性运动 对弹性振动的 影响， 而没有反 映它们与构件的弹 性运 动的 相互祸合。 为此， 必须建立 一次近似的 刚柔藕合动力学的 理论， 这不仅能得 .5一 硕士学位论文某自动机械的动力学仿真分析 到正确反映 这种祸合的动力刚度项， 而是将揭示 这种祸合对阻 尼项 等系统 动力学性质 的影响。 综上所述， 对柔性多体系统动力学的刚柔祸合动力学进一步的深入研究将有非常 重要的意义。 这项研究大致有如下一些任务:(1 ) 从力学基本原理出发研究物体大范 围 运动与 弹性变形祸合的力 学机理， 建立比 较精确的祸合动力学的数学模型， 提出 存 在大范围运动状态下构件的离散方法。 (2 ) 研究刚柔藕合多体系统的全物理仿真测试 技术，充分揭示刚柔祸合的 特征。 ( 3) 提出 复杂柔性多体系统祸合动力学程式化的建 模方法。以解决工程中的复 杂系统动力学与控制 性态的 分析为最终目 标。 (4 ) 确定零 次近似建模方法的应用范围。 3本文研究思路及主要工作 自 动武器不同于一般的机械系统， 其结构复杂多样， 结构内部的碰撞力和冲击载 荷也非常复杂， 受力条件十分 恶劣， 因 此和传统的设计方法、 手段相比， 在设计自 动 武器时 采用数 值模拟和仿真技术有很多优势，主 要表现为:(l ) 通过数值模拟与仿真， 可使设 计人员 在设计阶段在各种虚拟的环境下真实 地模拟系统的 运动， 可以 完成多次 物理样 机无法进行( 时间和成本不允 许) 的仿真试验， 快速分析多 种设计方 案， 直至获 得最优设计 方案; ( 2) 武器试验危险性大， 而通 过模拟与仿真， 可以 模拟各种试验条 件和试 验环境， 不存在安全性问 题; (3 ) 通过模 拟与仿真技术， 可以 缩短产品开 发周 期， 降低成本， 赢得竞争的优势， 还可以大 大减少制造试验物理样机数量， 节约时间 和费用。 本 文以正 在研制的某自 动武器为研究对象的， 通过对该自 动武器的 虚拟样机模型 的建立，分析计算其动力学特性。主要内容如下: 第一章介绍了课题的研究背景、研究意义;虚拟样机技术的内涵、发展和应用。 第二章介 绍了 本文所研究某自 动武器虚拟样 机的 建模方案; 利用c a x a和p m 尼 软件建立三 维实体模型并将模型导入 a d a m s中 施加力和约束， 最后完成了该 武器 a d a ms 下的 虚拟样机模型， 并对其进 行了 初步的 验证。 第 三章主 要分析该样机模型基本工作状 态的 运动动力学特性: 一方面是对虚拟样 机系统 进行进一步校核， 通过 跟试验数据的 对比 验 证样机的 可信性: 另一方面通过对 该武器的 动力学分析得出 某些规律性结论，为以 后的优化设计提供依据。 第四 章主 要结合环境参数， 在考虑土壤一驻锄的影响 下， 对样机模型进行了 改进， 并重点 分析了 该样机模型高射典型工作 状态 下的 动力学特性。 第 五章主 要介绍刚柔祸合分析， 在枪架枪管柔 性化的 样机模型基 础上， 重点分析 该自 动 武器的 发射动力学特性， 进一步 对样机模型进行校核。 . 6 一 硕士学位论文某自动机械的动力学仿真分析 2某 自 动武器虚拟样机模型的建立 机枪自 动武器系统是 一个相对复杂的系统， 它所包含的零 件众多， 在短短一个自 动 机工作周期内 要完成一 系列 动作， 包括自 动机后坐， 复进及开闭锁，抽壳， 抛壳， 输弹 等。 要对机枪自 动武器系统进行 动力学 仿真， 首要的 工作便是建立虚拟样机模型， 施加 各种约束， 载荷， 建 立一 个与实际系统相符合的 虚拟样机模型， 然后就可以 对虚 拟样机模型进行仿真分析了，本章将对机枪自动武器系统的虚拟样机建模进行讨论。 2. ， 虚拟样机建模整体方案 本文的虚拟样机是指在 a d a ms中构建的仿真模型， 它是由机械零部件的几何模 型以 及它们之间的 载荷， 运动以 及约束 关系构成的。 创建机械零部件的几何模型的目 的，一是为了获取其转动惯量， 质量和质心位置等物理信息:二是为了给刚体之间的 接触 碰撞判断 提供几何属 性; 三是为了更 加形象的再现零部件的 运动过程， 增强仿真 的可视化效果。 由 于a d a m s 的建 模能力 相对专业建模软 件来说比 较弱， a d a ms 与建模软件之 间的 协作成为当 今仿真分 析领 域的 一个主导模式。 因此 本文所采用的三维实体模型是 通过c a x a实体设计软件建立，然后通过a d a ms 接口模块，将模型导入 a d a ms ， 建立样机。 2. 1 .l 三维实休模型 本文所采用的 三维实体 模型 是通过 c a x a实 体设 计软件建立的，主要包括以 下 组件: 枪管 机匣组 件，自 动机组 件， 复进装置，供弹机 构， 枪架组件。 ( ” 枪管机匣组件:包括枪管，上下 机匣 等， 主要对机枪 运动起限制作用。 (2 ) 自 动机组 件:包括枪机，枪机框，拉壳钩， 击针及导气结构等，主要完成的 是自 动机的开闭锁 过程，以及后 坐复进中的抽壳和抛壳 过程. (3)复进装置:包括复进簧，缓冲簧 等， 使自 动机组件能 完成后坐和复 进动作。 (4 ) 供弹机构: 包括拉杆， 拨杆， 拨弹划板， 拨弹齿， 受弹器，子弹等，主要完 成供 弹和输弹过程。 (5) 枪架组件:主要包括托架，摇架，下架等，主要对枪身起固定作用。 2. l 2三 维实体模型的传递过程 由于 通过 c a x a建立的实 体模型无法导入a d a ms ， 因此需 要先转化成一个中 硕士学位论文 某自动机械的动力学仿真分析 间文件， 然后再从中间文件导入a d a m s 。 可以 作为传递中间文件的 类型有很多， 本 文采用的是实体模型的 5 几 文件格式，它记录的是三维实体表面在经过离散后所生 成的三 角形面片， 每个三角形都是由9 个代表三个 顶点 (x，y， 2) 坐标值的 浮点数 和表 示三角 形外法线方向的 矢量组 成， 可以 最小程度的 减少模型导入 a d a m s以后的失 真。 2. 2某自 动武器的虚拟样机模型简介 按照本章叙述的方法将模型导入到仿真环境中， 为观察方便隐藏了机匣组件， 在 a d a ms 丹iew 中建立的样机模型如图2. 2 . 1 ，图2. 2 2 所示: 由于保密原因，该图己隐藏，原图请参见该项目技术资料 图2.2 . i a d a ms 浑iew 中的样机模型 由于保密原因，该图己隐藏，原图请参见该项目技术资料 图2. 2 . z a d a m s 刃iew中的 样机模型 下 面对该样机模型的 动作过程做简要 介绍: 自 动机循环过程包括后坐和复进两个 阶段， 如图2. 2. 3 所示. ( 1) 后坐过程 子弹 击发以 后， 枪膛内形成 很高的 膛压， 子弹在火药 气体的 压力 作用下向 前飞行， 当 飞行到导 气孔时， 火药气体流入导气 室， 导气室压强 迅速增高， 压力将活塞和枪机 框向 后 推， 这时枪机框向 后运动， 枪机不动。 等子弹 飞出 枪口以 后， 枪机框的自由 行 程结束， 枪机框的凸起和枪机的开锁螺 旋面接触， 迫 使枪机绕纵轴 旋转， 自 动机完成 8 - 硕士学位论文 某自 动机械的动力学仿真分析 开锁动作。 此时枪机和枪机框以很高的速度后坐， 枪机上的 抛壳 挺受到 机匣 撞击前突 时，弹壳受到抛壳挺的撞击被抛出。 ( 2 )复进过程 当自 动机后坐到 位， 自 动机后坐压缩复进簧时 储存的 能量推动自 动机复进， 当 枪 机的 推弹凸笋复进到受弹位 置时， 拨弹齿已 将第二发 弹药推上位置， 枪机复 进时 将第 二发弹推入枪膛。 同时， 枪机的启动斜面和机匣 上的凸起相 撞， 枪机开始 绕纵 轴旋转 完成闭 锁过程，而枪机 框则 继续复 进， 准备第二发弹的击发。 由 于保密原因，该图己隐 藏，原图请参见该 项目 技术资料 图2 23 自 动工作循环示意图 2. 3约束副的施加 考虑到下一章内容要 对平射基本状态下的枪身进行 基本仿 真分析， 在此将枪管和 机匣 等部件与地面固结， 以 简化样机模型， 关于考虑枪 架及枪身 转动后的 样机模型详 见第四章和第五章内容。 1 3. 1约束关系 本章建立模型主要考虑: 开闭锁， 供弹， 抽壳， 抛壳 等一个工作循环的仿真分析， 最终 各部件的约束关系如图2. 3 . 1 所示， 样机模型中 共有13个刚体: 机匣 体( gro un d)， 9一 硕士学位论文某自动机械的动力学仿真分析 枪机 伊 。 3 01) ，枪机框伊 。 3 02) ， 辅助体 (p art6 ) ， 一 拉壳钩(l k g ) ，抛壳 挺(p aok e t i n g) ，子 弹 (z idan) ， 弹 壳 (d 田 水 e ) ， 连 杆 (p 0 2 0 7 ) ， 拉 杆 (p 0 2 0 5 ) ， 拨 弹 滑 板 (p 0 2 0 6 ) ， 受 弹 器 (p o 2 0 s ) ， 拨弹齿 伊 0 2 0 仁1 ) . 那 粼w器桨 纂 炙茗 器 龚荃 欢 酬巍 缈 憋 剔 哪 燃 口 二 吟 d p . 戈 七 : 奋 r 。 认 n d 壤扮餐锗藻鸳谓蓬爆摹潍耀夔矍鑫翼蒸覆矍耀纂壤耀翼曝凑盛镶 j o i 对 t _ ， 0 3 0 2 _ 笋0 必 d j o 功 t _ p 0 3 0 l we g r o 助 d 厂 5 卫 d 口弓 一 p 7 c v p 0 3 01 j o i 刀丁 p o 30 2 卫 03 1 c o 万t 人亡 t pj du p0 3 02 公r 。， 工 n d c o 月t 人二 r h么 du cr o . 刀1 已 p 0 3 0 2 j d i ut r 0 30 2 p a士 七6 c o 付 了 么c t pa r t 6 p0 30 1 c o 】 刁 丁 点己 t p a 艺七 6 p0 3 02 弓 f o只 ce 4 c 0 n 仆 c t _ p 0 3 0 1 _ 叮 r ， .功d c o nt ac 丁 p ar 七 p0 30 工 之 5 了 0取 c e s p 士 c u p o 斗 02 j o i n 丁 _ p o 2 0 7 _ g r o u 幻 d p t c 7 p c 2 05 j o l ， _ 护 0 2 0 5 _ 盯 。 助 d j o 功 丁 _ p 0 2 0 _ g r o 必 改 c o 盯t 人c 丁 p0 z o s p d 20 6 5 卫良 1 万弓 1 弓 f o r ce 5 卫 r i u 二 2 . f o r 巴 . j o 习 t s 了 o i ut g c o ht 人c t 14 c o 盯t 人c t 17 c o 打丁 人c 丁 18 c o 对t 人c t i， c o 盯t 人c 7 20 c o 对t 么c t 22 5 万 d万 c 厄 e m 赶么c t bs h j o i 习t 1 2 士 0 众吕 i d u s乡 取 1 盯 9 1. f or c e c o 】 七 。 e c t ，p o 3 0 2甘 1 七 bg r c r j 以 ) d t r . x 乙 ， l a 七 盆 o n a 1 j o 丘 。 七 口 。 泄 . c t p 0 3 q 工甘 二 t hg r o 做 已心 c y l 几 幻 d r 工 : a 1 j o l n 七 加 c o m . c t sp o 3 o z甘 1 七 h， r o 朋 d( 弓 i n o l e _ c o 娜 o n e 幻 t _ ， o r c . ， c o n 劝e c 七p 03 0 之， 1 七 h矛 o 3d i吧 p o 土 ” 沈 c 从r y色) c o : 。 飞 e c 七p 03 0 2甘 :t hp 0 31 f 立 嚣吸 d jo 二 n 七) 0 u e c tsg ro 山 ， du i t h尹 0 30 2咬 c o 刃 七a c t， 亡 0 瀚 . c 七 p 0 3 0 2价 i t hg r o . ” d叱 c o 力 吧 a 口 乞 ， c o i 勺 2 洛 e e 七，p 人 r了 6”l t hp 0 30 2蔑 t r j 、 1 . 七i o n 已1 汀 0 1 幻乞) c 。 朋 e e 匕 sp a 只 了 _ 砧 i t h， 0 3 0 王戈 c o n t a c 七 ， c o r 。 、 任 c 七p 人只 t 6” 1 七 h卫 0 30 2 c o n 匕a 己 t) 己 o z u 、 e c t f 人 只 t _ 梦 1 七 hg r c 电 n d峨 5 立 n g l e _ c o . p o n 日 刀 七 少 o r 己 . 李 c o z ” l e c t sq r o ， j j l d留 i t hp 0 3d i弓 c o n 匕已 口 七) c o ， ” ) e 比 ，p a 卫 t _ ， 1 hp 0 3 0 1咬 c o 拙 a 比 ， 已 0 地 己 己 t p 0 3 d i盯 l t h叮 r o 做 d咬 3 工 孔 9 1 色 _ c o . p 叻 巴 力 七 少 o r 口 e ， 己 。 士 址 。 e 已 七弓p o 20 ，甘 1 七 hp 0 30 2峨 p o 几 n 匕 c 议r 廿 e) c o 艺 口 飞 限 仁 七，9 : 0 、 。 几 d. 1 亡 h夕 0 2 0 ， 只 . ，。 1 ” e 汀 。 注 ” 七， 已 o r 。 ， 巨 己 七，f 0 20 7匀 l t h甲o zd s( p a 土 1 、 t c ul ， z ej 心 。 r 。 生 已 仁 tsq ro l 劝 dl 盈 j t hp 0 zo s心 及 e vo l u te j o i n乞 二 c o 抓 . c 吧 p 0 2 o 石份 i t hg r o 脱 d仁 丁 r ar ， 1 . 七 几 o n a 1 ) o i n 七 ， c o r o l e 仁 匕，卫 02 0 6叮 i t hp 0 20 5峪 c o n a c t) c o 杯 e c t ，护 0 o 0 2. 1 七 hg r o 、 。 乃 d哎 s l n g l 乏 _ c o 坤 o n _ f a r 己 e ， c o 怂 色 c 七 sp 0 3 0 z份 i t h口 r o 做 d( 弓 : h g l e _ c o 叩 0 匕 . 优 _ 万 o r 己 . ， 0 助 吧 c t 5p o z o 8u i t h邵 。 明 d亡 f 工 x e d j o l ” t c o 戈 飞 e c t弓p 02 0 1甘 1 七 h夕 0 2d ro ) 上的 应 力 为 零。 (2) 与 刚 性 块接 触 的 土 壤 表 面(r ro ) 上 线 位 移 或 角 位 移为 零。 (3) 在无穷远边界上没 有弹性波反射。 依照t l m o shenk。 的理论， 在受到垂直简谐力p = p. e 姗 作用下的位移为: w = 蛋以 (a0 ， 叭 一 ” ， ( 4 . 1 .2 ) 在 受 水 平 简 谐 力尸 = ph e 从 作 用 下的 位 移 为: 。 = .卫 竺 二以( a o ， : ) + 叭( a 。 ， : ) 1 (4. 1 . 3) gr0 实际中， 一般把“ 驻锄一土壤” 系统的弹性半空间 模型作进一步的 简化拼 简 化成 水 平 、 垂 直 两 个 方 向 的 质 量， eh ， m 。， 弹 簧k * ， k ， 阻 尼 吼， c ， 系 统， 从 而 建 立 起 “ 驻锄 一土 壤” 的集总参数模型，如图4 1 . 4 所示。 硕士学位论文某自动机械的动力学仿真分析 图4 . 1 . 4 “ 驻锄 一土壤”的 集总 参数模型 只 要适当 的确定各参数数 值， 就可以 使这 种集总参数 模型在动力学 特性上与弹性 半空间 模型相差无几， 对(4 . 1 .2) (4 . 1 . 3 ) 两式进一步分析， n.m一n emak和e. ros en bl u e th 提出 一组 集总 参数计算公式见 表4 . 1 . 1 所示。 表4. 1 . 1集总 参数计算公 式 对一-厉 水平 垂直 等效质量m ， m = 0 .2 8 时 气 =l.5 对 等效刚度 k等效阻尼力悉数c =5 . =5 . = 1 o 8 v k ， = 1 .79 撅 凡-k， 其 ， 、 = 抨， ，。 、 驻 锄 与 土 壤 的 有 效 接 触 面 积 ， 本 文 所 研 究 的 机 枪 系 统 虚 拟 样机模型前驻 锄的接触面积为 70俐2 ， 后驻锄的 接触面积为 52cm2 ， 取土壤的密度 为户 = 4 .2 4 3 、 1 0 一3 kg/ c 脚 ， ， 土壤 切 变 模量 为 g = 1 .3 7 9 x l o ， n l c m ， ， 代 入 公式 即 可 得 到集总参数数值。 4. 2高射状态下的动力学分析 模型各项基本参数经过计算 和改进以 后， 基本与高射状态的实际环境和条件相 符， 此时即可对刚性环境下的样机模 型进行动力学特性分析。 4. 2. 1自 动机组件运动特性 由于设定了机匣与拖架的相对运动，自动机的运动特性与平射状态下略有不同， 但是总 体运动趋势仍然不变， 只是后坐和复 进的 初始速度都有所降 低。 这里仅以 枪机 为 例说明 ，如图4 :21 ， 4. 2. 2 所示。 硕士学位论文 某自动机械的动力学仿真分析 甲呼昆一一一了几 尸 一 _-一 幽. 口日 臼 . 目 j . 月匆， 刃 ， ， 峨翻 粗 图4. 2.1 巨 叫一2 1 枪机速度曲线图 省 象 . 。 .0 咔 ， o习 决 .户 目 白 . 目j 、 . d 口.口 司 门月 ， 欲 困田 口 口 图4. 2. 2枪 机位移曲 线图 4. 2. 2 枪口响应特性 在平射状态的样机模型中， 由于 枪管和机匣组 件都是与大地固结的， 所以枪口 无 动态响 应; 而在高射状态的样机模型中， 由 于定义了底架 驻锄与大地的约束关系， 枪 身与 摇架的 相对运动，使得枪管开始有 位移， 速度等多方 面的响 应特性。 以 下图4. 2 3 一 4 2. 5 是刚性条 件下 枪管的 响应特 性， 刚性条 件