外彈道虛擬試驗(yàn)技術(shù)的研究*

劉鵬飛,馮順山,曹紅松,劉雪松

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051;2 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

外彈道虛擬試驗(yàn)技術(shù)的研究*

劉鵬飛1,馮順山2,曹紅松1,劉雪松1

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051;2 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

為了解決外彈道虛擬試驗(yàn)中從各種影響因子生成到模擬隨機(jī)外彈道等一系列關(guān)鍵問(wèn)題,針對(duì)外彈道試驗(yàn)的特點(diǎn),通過(guò)開(kāi)發(fā)隨機(jī)內(nèi)彈道和外彈道計(jì)算模塊,并以ADAMS為動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái),對(duì)武器系統(tǒng)的外彈道虛擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究,最后以Multigen為視景仿真平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了三維可視化,進(jìn)而為外彈道虛擬試驗(yàn)技術(shù)提出了一套系統(tǒng)的解決方案。此外還對(duì)一高炮進(jìn)行了外彈道虛擬試驗(yàn),并進(jìn)行了實(shí)例分析,進(jìn)一步證明了該方案的可行性和準(zhǔn)確性。

外彈道;虛擬試驗(yàn);可視化

0 引言

外彈道是研究彈丸與發(fā)射裝置脫離作用力后,在外力(空氣動(dòng)力、重力、推力)作用下運(yùn)動(dòng)的一門(mén)科學(xué)。外彈道在武器系統(tǒng)的研制和解決實(shí)際戰(zhàn)術(shù)任務(wù)中起著決定性的作用。影響外彈道計(jì)算的因素包括彈丸的質(zhì)量和外形參數(shù)、氣象條件、各種擾動(dòng)等,各種因素的設(shè)計(jì)是否合理直接決定著外彈道計(jì)算的可信度和可依賴(lài)性[1]。所以,在對(duì)彈丸進(jìn)行外彈道試驗(yàn)時(shí),上述各種因素的測(cè)試是很重要的一個(gè)過(guò)程,統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果可以對(duì)彈丸以及武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了解和評(píng)估。虛擬試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)的研制中,對(duì)提高武器研制效費(fèi)比和研發(fā)速度有著重要的作用。文中利用自主開(kāi)發(fā)外彈道計(jì)算軟件和隨機(jī)內(nèi)彈道計(jì)算軟件,以ADAMS為動(dòng)力學(xué)仿真工具,在Multigen視景仿真平臺(tái)上,對(duì)外彈道虛擬試驗(yàn)進(jìn)行了研究,提出了一套系統(tǒng)的外彈道虛擬試驗(yàn)方案。

1 外彈道虛擬試驗(yàn)技術(shù)整體方案

在實(shí)際試驗(yàn)中,發(fā)射武器系統(tǒng)的振動(dòng)造成炮口初始擾動(dòng);內(nèi)彈道的不均勻性引起了彈丸初速的隨機(jī)性;生產(chǎn)誤差造成了彈丸質(zhì)量的不均勻;氣象條件的不確定性也很大程度影響著外彈道的飛行。因此,要對(duì)實(shí)際的外彈道虛擬試驗(yàn)進(jìn)行逼真的模擬,就要對(duì)以上影響因素進(jìn)行解算或者模擬,來(lái)代替真實(shí)的影響因子,從而提高外彈道虛擬試驗(yàn)的真實(shí)性。

外彈道虛擬試驗(yàn)的步驟為:首先設(shè)置隨機(jī)內(nèi)彈道計(jì)算參數(shù)進(jìn)行解算,獲取內(nèi)彈道時(shí)期相應(yīng)的彈道參數(shù);其次在ADAMS中建立發(fā)射系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型,增加合適的運(yùn)動(dòng)副和約束,加載內(nèi)彈道解算參數(shù),通過(guò)仿真獲取炮口初始擾動(dòng)參數(shù);加載各種影響因子,對(duì)外彈道進(jìn)行解算;最后在Multigen平臺(tái)上對(duì)外彈道試驗(yàn)進(jìn)行虛擬三維可視化。其中需要解決的關(guān)鍵:影響因子的生成和外彈道三維虛擬試驗(yàn)三維可視化實(shí)現(xiàn)。鑒于以上所述,文中所實(shí)現(xiàn)的外彈道虛擬試驗(yàn)技術(shù)的總體方案如圖1所示,后文對(duì)具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行研究。

圖1 外彈道虛擬試驗(yàn)技術(shù)總體方案

2 影響因子的生成

2.1 彈丸初速擾動(dòng)及相關(guān)參數(shù)

內(nèi)彈道隨機(jī)性模擬計(jì)算通過(guò)全面地考慮內(nèi)彈道期間的各種因素(火藥厚度、裝藥量以及其他裝填條件),獲得了更加逼近真實(shí)的彈丸初速和膛壓數(shù)據(jù),進(jìn)而間接的提高了外彈道虛擬試驗(yàn)的質(zhì)量。

對(duì)大量的靶場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分布函數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),得出裝藥量、藥粒量、火藥力、彈丸重等起始參量都服從正態(tài)分布,且為獨(dú)立隨機(jī)變量,它們的均值和方差都是可知的,因此用蒙特卡羅法來(lái)對(duì)隨機(jī)內(nèi)彈道計(jì)算進(jìn)行模擬[2]。從內(nèi)彈道計(jì)算設(shè)計(jì)的角度來(lái)看,其隨機(jī)過(guò)程可以看作是在不同的起始彈道參量條件下進(jìn)行一系列的計(jì)算,文中基于蒙特卡羅方法,開(kāi)發(fā)了隨機(jī)內(nèi)彈道計(jì)算模塊,在輸入變量的均值及方差等參數(shù)后,模塊會(huì)自動(dòng)生成服從正態(tài)分布的變量隨機(jī)序列,為計(jì)算提供數(shù)據(jù)。在隨機(jī)內(nèi)彈道計(jì)算模塊中用戶(hù)可以方便的選擇和創(chuàng)建如火藥厚度、裝藥量等參數(shù)作為隨機(jī)變量,來(lái)對(duì)內(nèi)彈道進(jìn)行模擬,進(jìn)而獲取彈丸初速和其他相應(yīng)的參數(shù)。隨機(jī)內(nèi)彈道計(jì)算參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框如圖2所示。

圖2 隨機(jī)內(nèi)彈道參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框及選擇的隨機(jī)參量設(shè)置

2.2 炮口初始擾動(dòng)規(guī)律

火藥燃?xì)鈮毫κ侨诎l(fā)射系統(tǒng)的動(dòng)力,文中以相應(yīng)的內(nèi)彈道參數(shù)以及通過(guò)計(jì)算獲取的膛壓曲線作為彈丸發(fā)射系統(tǒng)的入口數(shù)據(jù),完成全炮動(dòng)力學(xué)仿真。文中以ADAMS為動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái),首先建立虛擬三維模型,導(dǎo)入到ADAMS中,并對(duì)其進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理,確定全炮各個(gè)部件的拓?fù)潢P(guān)系,在ADAMS中定義各部件的物理屬性(如質(zhì)心、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量),然后添加約束和運(yùn)動(dòng)副,最后施加載荷(內(nèi)彈道膛壓曲線以及相應(yīng)的參數(shù)),建立全炮動(dòng)力學(xué)仿真模型,進(jìn)行穩(wěn)定性分析和炮口擾動(dòng)特征分析,得出擾動(dòng)數(shù)據(jù),作為外彈道虛擬試驗(yàn)的初始數(shù)據(jù)[3]。炮口初始擾動(dòng)特征相關(guān)動(dòng)力學(xué)仿真模塊流程如圖3所示。

圖3 炮口初始擾動(dòng)特征相關(guān)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)構(gòu)

2.3 隨機(jī)外彈道模擬

彈丸飛行過(guò)程中的干擾因素,大部分是正態(tài)隨機(jī)變量或可近似為正態(tài)變量,如:彈丸質(zhì)量、彈形、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和初始轉(zhuǎn)速等。即使不是正態(tài)變量(如陣風(fēng)),也會(huì)將彈丸在飛行過(guò)程中所受到的連續(xù)變化的干擾量取某一合適值,實(shí)際上是隨機(jī)過(guò)程經(jīng)彈道加權(quán)平均而轉(zhuǎn)換為隨機(jī)變量看待[4]。

通過(guò)隨機(jī)外彈道模塊提供的數(shù)據(jù)接口和參數(shù)設(shè)置功能,導(dǎo)入內(nèi)彈道模擬及發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真產(chǎn)生的擾動(dòng)數(shù)據(jù),直接利用或進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合來(lái)完成外彈道初速和炮口參數(shù)設(shè)置;此外利用蒙特卡羅法對(duì)其余影響因子進(jìn)行處理,獲取相應(yīng)的隨機(jī)序列完成隨機(jī)外彈道其他初始參量的設(shè)置。彈丸質(zhì)量的隨機(jī)序列分別對(duì)應(yīng)著初速擾動(dòng)序列和炮口擾動(dòng)曲線。虛擬試驗(yàn)中一高炮左右炮管水平位移曲線如圖4所示。

圖4 計(jì)算得某高炮左右炮管水平振動(dòng)位移曲線

3 虛擬試驗(yàn)三維可視化

為了提高外彈道虛擬試驗(yàn)的逼真性,使虛擬試驗(yàn)更加形象化和直觀化,文中以Multigen為視景仿真平臺(tái),外彈道計(jì)算為視景驅(qū)動(dòng),對(duì)外彈道虛擬試驗(yàn)的三維可視化進(jìn)行了研究。

3.1 虛擬建模

虛擬建模技術(shù)是三維可視化的基礎(chǔ),模型的真實(shí)程度直接關(guān)系到虛擬試驗(yàn)的真實(shí)感,所以要首先進(jìn)行虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?試驗(yàn)場(chǎng)景建模和武器建模)建立工作。試驗(yàn)場(chǎng)景模型建立利用Multigen Creator實(shí)現(xiàn),作為專(zhuān)門(mén)面向三維虛擬仿真建模系統(tǒng),它具有高逼真度三維特征及紋理特征[5]。試驗(yàn)場(chǎng)景的建立首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地圖(如GOOGLE地圖)收集相應(yīng)的地圖信息和地理信息,以及相關(guān)的場(chǎng)景紋理照;在利用Creator建模之前,需要對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理(如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、紋理圖片格式處理),然后開(kāi)始繪制主要物體的輪廓,對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,刪除冗余的不可見(jiàn)面,最后進(jìn)行紋理映射,完成場(chǎng)景建模工作。為了避免重復(fù)工作,武器建模采用動(dòng)力學(xué)仿真的全炮虛擬樣機(jī)模型,對(duì)其進(jìn)行模型優(yōu)化和紋理映射后直接使用。某高炮外彈道虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景和武器模型如圖5所示。

圖5 某高炮外彈道虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景和武器模型

3.2 視景實(shí)時(shí)顯示

對(duì)外彈道虛擬試驗(yàn)中飛行軌跡、彈著點(diǎn)、炮口特效進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示,均可提高試驗(yàn)的直觀性。利用Multigen Vega提供的粒子特效來(lái)模擬飛行軌跡,以實(shí)時(shí)計(jì)算得到的諸元作為粒子的軌跡,在試驗(yàn)中實(shí)時(shí)地顯示飛行軌跡,增加試驗(yàn)的真實(shí)性;通過(guò)Vega的碰撞檢測(cè)和特效模塊模擬彈著點(diǎn),不僅可以顯示彈丸撞擊靶板的逼真效果,還可以實(shí)時(shí)獲取碰撞點(diǎn)坐標(biāo),為外彈道虛擬試驗(yàn)著靶密集度和準(zhǔn)確度提供分析數(shù)據(jù)。試驗(yàn)視景實(shí)時(shí)顯示的效果可以在圖5中直觀地捕捉到。

4 實(shí)例分析

通過(guò)文中上述研究過(guò)程及方法對(duì)一高炮進(jìn)行外彈道虛擬試驗(yàn),獲得一組炮口初始擾動(dòng)(身管位移引起的出炮口位置偏差)曲線如圖4所示,高炮左右炮閂速度曲線如圖6所示。

圖6 某高炮左右炮閂速度曲線

分別對(duì)左右炮管同時(shí)進(jìn)行3組試驗(yàn),每組10連發(fā),然后提取彈丸初速擾動(dòng)和炮口初始擾動(dòng)數(shù)據(jù),如表1所示;相應(yīng)的靶場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,虛擬試驗(yàn)和靶場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)吻合度很好,符合要求;并在此基礎(chǔ)上對(duì)高炮進(jìn)行了立靶精度試驗(yàn),彈著點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖7所示,相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖8所示。

表1 一高炮彈丸初速虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 一高炮彈丸初速靶場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 虛擬試驗(yàn)高炮縱向和橫向射擊彈著點(diǎn)

圖8 靶場(chǎng)實(shí)測(cè)縱向和橫向射擊彈著點(diǎn)

立靶精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3～表5所示。

表3 虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(高低×方位,單位:mil)

表4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(高低×方位,單位:mil)

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出,外彈道虛擬試驗(yàn)密集度和實(shí)際實(shí)驗(yàn)密集度誤差在10%范圍內(nèi),兩者數(shù)據(jù)基本上接近,驗(yàn)證了文中敘述的外彈道虛擬技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

文中通過(guò)開(kāi)發(fā)隨機(jī)內(nèi)彈道模塊,并以ADAMS為動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái),研究了外彈道虛擬試驗(yàn)技術(shù),并基于Multigen進(jìn)行了試驗(yàn)的三維可視化,提出了系統(tǒng)的研究和解決方案。虛擬試驗(yàn)技術(shù)在武器系統(tǒng)研制過(guò)程中的應(yīng)用,可以有效地降低物理試驗(yàn)樣機(jī)的研制成本,加快武器系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)度。此外,文中所采用的研究方法同樣適用于其他武器系統(tǒng)的研制。

[1] Л. Н. 雷申科. 外彈道學(xué) [M]. 韓子鵬, 譯. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1991.

[2] 金志明, 袁亞熊, 宋明. 現(xiàn)代內(nèi)彈道學(xué) [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1992.

[3] 鄭建榮. ADAMS：虛擬樣機(jī)技術(shù)入門(mén)與提高 [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[4] 徐明友. 高等外彈道學(xué) [M]. 北京: 高等教育出版社, 2003.

[5] 張華, 楊浩, 郭俊麗. MultiGen Creator地形建模技術(shù)研究 [J]. 中國(guó)科技博覽, 2009(22): 166-167.

The Research on Technology of Virtual Trajectory Experiment

LIU Pengfei1,FENG Shunshan2,CAO Hongsong1,LIU Xuesong1

(1 School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2 State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Virtual trajectory experiment technology was studied according to characteristics of trajectory experiment, by developing internal ballistic calculation module and random trajectory calculation module, Based on the dynamic simulation platform-ADAMS, a series of key issues were solved such as the kinds of impact factor generation and simulation of randomly trajectory calculation, and three-dimensional visualization of virtual trajectory experiment was realized by the visual simulation software-Multigen, and a system solution was proposed for the virtual technology of virtual trajectory experiment. In addition, the virtual trajectory experiment was conducted by taking an artillery as research object and feasibility and accuracy of the project was further proved.

trajectory; virtual experiment; visualization

2014-08-22

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A1020110020)資助

劉鵬飛(1989-),男,山西忻州人,碩士研究生,研究方向:軟件開(kāi)發(fā),視景仿真,彈道仿真。

TP391.9

A