基于ADAMS的碰撞仿真的自動(dòng)步槍動(dòng)力學(xué)模型研究

摘 要:基于ADAMS軟件提出了一種多接觸動(dòng)力學(xué)仿真方法，該方法可較好處理多體接觸問題。運(yùn)用該方法建立了某自動(dòng)步槍的動(dòng)力學(xué)模型并獲得了數(shù)值仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞:仿真接觸自動(dòng)步槍

中圖分類號(hào):TJ22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)09(a)-0017-02

Abstract:The simulation method is brought forward on the ADAMS software， so as to successfully obtain the solution of these dynamic multi-contacts models.The dynamics model of the automatic rifle is built and the numerical simulations of firing processes are obtained.

Key words:simulation;contacts;automatic rifle

1引言

碰撞是自動(dòng)武器工作時(shí)最常見現(xiàn)象，自動(dòng)武器是以高溫、高壓、瞬變火藥氣體為動(dòng)力工作的強(qiáng)動(dòng)載機(jī)械，自動(dòng)武器每發(fā)射一發(fā)子彈，各構(gòu)件將發(fā)生多次碰撞，幾乎是在撞擊狀態(tài)下完成自動(dòng)機(jī)循環(huán)過程即能量傳遞過程。自動(dòng)武器為了完成自動(dòng)循環(huán)射擊動(dòng)作而又不使其整體質(zhì)量、體積太大，每個(gè)構(gòu)件必須在較小的空間尺寸條件下“身兼數(shù)職”，并且各構(gòu)件之間動(dòng)作的協(xié)調(diào)和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)傳遞，也必須有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形狀來加以保證，這樣就使得槍械零件極不規(guī)則，很多情況下是靠零件的復(fù)雜輪廓傳遞運(yùn)動(dòng)和力。因此，研究復(fù)雜零件碰撞仿真方法對自動(dòng)武器建模仿真有一定意義。

2接觸動(dòng)力學(xué)[1][2]

2.1 接觸區(qū)域的離散化和接觸的判別[1][2]

根據(jù)赫茲理論，處于彈性半空間內(nèi)的接觸體之間的接觸發(fā)生在一個(gè)接觸區(qū)域內(nèi)，而接觸區(qū)域通常很難確定，應(yīng)對接觸面進(jìn)行離散化處理。ADAMS中采用對稱點(diǎn)面接觸法來離散接觸區(qū)域，接觸區(qū)域的離散通過實(shí)體模型的集合屬性進(jìn)行。每一個(gè)零件都有一個(gè)形體(Shell)屬性，每一個(gè)Shell屬性和一個(gè)Shell文件相關(guān)聯(lián)。其中形體是通過很多多面體進(jìn)行布爾運(yùn)算拼接而成，Shell文件在三維實(shí)體創(chuàng)建過程中自動(dòng)生成，記錄包含所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和編號(hào)，并隨形體的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生相應(yīng)改變。

兩物體的接觸判斷基于非穿透條件，即相互接觸的兩個(gè)物體不能相互嵌入。確定接觸點(diǎn)與目標(biāo)面之間的間隙或接觸穿透是通過把接觸點(diǎn)向法向投影獲得。節(jié)點(diǎn)與投影點(diǎn)的直線距離，如果直線距離小于0，說明接觸發(fā)生了。反之，表示兩個(gè)接觸體處于分離狀態(tài)。

2.2 ADAMS中的碰撞力學(xué)模型

ADAMS中有泊松模型和接觸函數(shù)模型兩種，期區(qū)別主要是在法向接觸力的計(jì)算上，它們的接觸約束方程和接觸摩擦力的計(jì)算是相同的。

2.2.1 泊松模型

泊松模型中有兩個(gè)重要參數(shù):恢復(fù)系數(shù)和罰因子。根據(jù)經(jīng)典碰撞理論，恢復(fù)系數(shù)定義為物體在碰撞點(diǎn)碰撞前后的相對速度在接觸面公法線方向投影的比值。恢復(fù)系數(shù)的計(jì)算公式如下:

(1)

其中——碰撞點(diǎn)處的公法線單位矢量;

——?jiǎng)傮wA和剛體B在碰撞前的速度;

——?jiǎng)傮wA和剛體B在碰撞后的速度。

實(shí)驗(yàn)分析表明，恢復(fù)系數(shù)的值與碰撞體的質(zhì)量、形狀及其相對速度有關(guān)。但在實(shí)際計(jì)算中，人們常常將恢復(fù)系數(shù)僅看作與相接觸的材料特性有關(guān)。

罰因子是一個(gè)與瞬時(shí)穿透深度、剛度有關(guān)的因數(shù)。

泊松模型的法向接觸力公式如下:

(2)

其中——兩接觸物體的瞬時(shí)穿透量;

——表示碰撞后兩物體的分離速度。

當(dāng)罰因子時(shí)，式(2)滿足非穿透條件。但過大的罰因子會(huì)引起方程的病態(tài)，所以，在進(jìn)行迭代計(jì)算中，引入了拉格郎日乘子，方程(2)改寫為:

(3)

其中——迭代系數(shù)。

2.2.2 接觸函數(shù)模型

等效彈簧阻尼法將接觸變形假設(shè)為等效彈簧—阻尼模型，假設(shè)變形限制在接觸區(qū)內(nèi)，彈簧接觸力根據(jù)Hertz接觸規(guī)律確定，接觸過程的能量損失由一個(gè)與彈簧平行的阻尼器確定。等效彈簧阻尼法通過求解動(dòng)力學(xué)微分方程來計(jì)算接觸。

接觸函數(shù)模型中的法向接觸力公式如下:

(4)

其中——彈簧剛度系數(shù);

——兩接觸物體的瞬時(shí)穿透量;

——作用力指數(shù);

——阻尼系數(shù)。

當(dāng)碰撞速度較高時(shí)，按公式(4)計(jì)算的結(jié)果偏差較大，因此對阻尼的處理需進(jìn)行一定的修正。

(5)

其中——接觸點(diǎn)最大變形量;

——最大阻尼系數(shù);

——線性函數(shù)，使得當(dāng)阻尼系數(shù)隨接觸變形量的增加而線性增大，當(dāng)瞬時(shí)穿透量為最大時(shí)，阻尼系數(shù)取最大，避免了當(dāng)接觸開始時(shí)出現(xiàn)的非零阻尼力。

3復(fù)雜零件碰撞處理方法及仿真算例

ADAMS軟件提供有創(chuàng)建幾何模型的部件庫，但造型功能不強(qiáng)。自動(dòng)武器系統(tǒng)通常結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很多零件結(jié)構(gòu)由眾多高級(jí)實(shí)體特征組成。這樣直接在ADAMS中建立模型難以實(shí)現(xiàn)。通常的做法是先在三維造型軟件中建立三維實(shí)體模型，然后利用ADAMS提供的模型轉(zhuǎn)換模塊ADAMS/Exchange傳遞模型。ADAMS提供了與三維造型軟件Pro/ENGINEER無縫連接的接口，這樣在Pro/ENGINEER應(yīng)用環(huán)境就可以將裝配完畢的自動(dòng)武器根據(jù)其部件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義模型，然后將模型傳送到ADAMS/View中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

ADAMS是借助Unigraphic公司的Parasolid幾何引擎來處理外部三維實(shí)體，接觸的處理主要是接觸判斷、滲透量的計(jì)算。選擇Parasolid引擎時(shí)，其默認(rèn)的方法為Joe方法。首先對碰撞區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算每個(gè)三角面片的法線方向。然后對網(wǎng)格區(qū)域的每個(gè)法線方向進(jìn)行規(guī)格化處理，得到作用力方向。穿透量由下式得到:

(6)

其中:為碰撞區(qū)域體積，認(rèn)為此區(qū)域?yàn)槠叫辛骟w;為相交區(qū)域的面積。運(yùn)用上式可得到穿透量，其對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為穿透速度。

為了真實(shí)進(jìn)行自動(dòng)武器仿真就要盡可能定義實(shí)體接觸，而提高仿真精度主要取決于幾何形體輪廓的精確度，要提高仿真精度，就必須提高圖形轉(zhuǎn)換時(shí)的精度。圖是不同精度轉(zhuǎn)換到ADAMS環(huán)境中比較圖。導(dǎo)入的實(shí)體是由STL文件導(dǎo)進(jìn)來的，STL文件所描述的形體表面是用小的三角形面片組成的，由離散點(diǎn)形成的曲線是樣條曲線，由其弦組成的三角形則是實(shí)體的邊界，并不是光滑的曲面，如果導(dǎo)入圖形精度較低，不但降低仿真精度有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致仿真失敗。

通過研究發(fā)現(xiàn)，在Pro/ENGINEER的MECH/Pro菜單下向ADAMS傳遞模型時(shí)，采用相同的輸出精度，同一部件在只有一個(gè)剛體情況下輸出圖形精度要高于該部件在有多個(gè)剛體情況下輸出的圖形精度。這樣為了提高仿真精度，對于那些參與碰撞的零部件將它們分別作為單個(gè)剛體輸出圖形文件，然后將生成的圖形文件替換掉原先的圖形文件即可。

以某自動(dòng)步槍為例，進(jìn)行四連發(fā)仿真計(jì)算，圖2給出了自動(dòng)機(jī)v-t曲線，從圖2中可看出該步槍實(shí)現(xiàn)對射擊頻率的特殊要求。

4 結(jié)語

基于ADAMS軟件提出了一種多接觸動(dòng)力學(xué)仿真方法，該方法可較好處理多體接觸問題。運(yùn)用該方法可提高自動(dòng)武器動(dòng)力學(xué)仿真的精度。

參考文獻(xiàn)

[1]G.M.Gladwell著，范天佑譯，經(jīng)典彈性理論中的接觸問題[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，1991.

[2]梁敏，洪嘉振，劉延柱.多剛體系統(tǒng)碰撞動(dòng)力學(xué)方程及可解性判別準(zhǔn)則[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，Vol8 No.1，1991.

[3]三維建模中碰撞檢測技術(shù)的基本算法研究張?jiān)普躘J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010，24：15．