基于虛擬樣機的一種裝備教學實驗平臺開發與應用

楊玉良　狄長春　吳大林

基于虛擬樣機的一種裝備教學

實驗平臺開發與應用

楊玉良1 狄長春2 吳大林1

（1.陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050003;

2.陸軍研究院炮兵防空兵所，中國 北京 100012）

【摘 要】為在課堂上開展裝備教學實驗，基于虛擬仿真軟件MSC.ADAMS，以炮口撞擊模擬火炮實彈射擊實驗為背景，建立了火炮裝備的虛擬樣機和炮口撞擊實驗平臺。為了使得實驗參數易修改、實驗控制易操作、輸出結果更直觀，在此基礎上，運用MSC.ADAMS軟件的二次開發功能，建立了炮口撞擊實驗的控制平臺，為開展炮口撞擊實驗以及獲得優化的撞擊參數組合提供了便捷的實驗手段。課程試用表明，基于虛擬樣機的實驗平臺開發，既為學員開展實驗研究提供了一種可行的實驗手段，也為實驗系統的開發提供了一種思路。

【關鍵詞】虛擬樣機;實驗平臺;虛擬實驗;火炮

中圖分類號：TJ306+.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）13-0056-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.026

Development and Application of Teaching Experiment Platform for Equipment Based on Virtual Prototype

YANG Yu-liang1 DI Chang-chun2 WU Da-lin1

（1.Shijiazhuang Campus of Army Engineering University， Shijiazhuang Hebei 050003， China;

2.Army Academy Artillery Air Defense Research Institute， Beijing 100012， China）

【Abstract】To carry out the teaching experiment of in classroom， with the muzzle impact simulating cannon ball firing experiment as the background， the virtual prototype of artillery equipment and the muzzle impact experiment platform are established based on simulation software MSC.ADAMS. In order to make the experiment parameters easier to modify， the experiment control easier to operate， and the output more intuitive， of the muzzle impact experiment was established by using the secondary development function of MSC.ADAMS. The control platform provides a convenient means for the experiments and acquirement of the optimized impact parameters combination. The trial in the course shows， the development of the platform provides a feasible experiment method for students as well as a train of thought for developing the experimental system.

【Key words】Virtual prototype; Experiment platform; Virtual experiment; Artillery

實驗既是深化抽象原理知識的認識手段，更是鍛煉實踐能力的重要手段。為此，從小學到大學，從日常生活到教學科研，用于開展各種實驗的實驗系統和實驗平臺無處不在，發揮著十分重要的知識理解和能力培養作用。在20世紀90年代以前，開展的科學實驗都是看得見、摸得著的真實的實體實驗。然而之后虛擬實驗的崛起，使得科學實驗更加多樣化，而且隨著計算機應用技術、多媒體技術等新技術的不斷成熟與進步，越來越多的真實實驗由虛擬實驗所取代[1-3]。本文為了使學員在課堂上更好地熟悉和掌握實驗操作技巧和具體實驗方法，也為實裝實驗的開展奠定基礎，將虛擬實驗引入教學，以具體教學虛擬實驗平臺開發與應用為例開展研究。

高速大質量塊撞擊火炮炮口從而用來模擬火炮射擊過程，被證明是一種技術可行的火炮動力后坐模擬手段[4-5]，圖1所示為火炮沖擊后坐力學模型，其中，撞擊質量m1、撞擊速度v1、撞擊剛度k和緩沖阻尼c是影響射擊模擬精度四個重要的撞擊參數[6-7]。為了方便獲得與具體火炮配套的、優化的撞擊參數組合，論文脫離火炮實裝平臺，基于虛擬樣機技術，開發了一種虛擬的火炮撞擊實驗平臺，為獲得配套的、優化的撞擊參數組合提供實驗研究平臺。

1 炮口撞擊實驗環境開發

根據火炮結構原理知識，研究具體型號火炮的結構形式和拓樸關系，基于參數化建模軟件Pro/E，即可建立火炮的三維數字模型。通過數據接口導入多體動力學軟件MSC.ADAMS后，正確施加各種力、運動、約束副和外掛程序，準確賦予各種參數，即可完成火炮虛擬樣機的開發。

為了模擬實現高速大質量塊撞擊炮口的過程，在身管正前方，建立與身管炮膛軸線同軸的圓柱形沖擊質量塊，賦予沖擊質量塊較高的初始速度，使其相對于身管作同軸平移，關鍵參數是撞擊質量和撞擊速度。沖擊質量塊與身管之間建立碰撞約束，用以模擬撞擊及射擊脈沖的轉換過程，關鍵參數是撞擊剛度和緩沖阻尼。

至此，以火炮多剛體模型為基礎，依托MSC.ADAMS環境，建立了炮口撞擊實驗環境，如圖2所示。

2 實驗控制平臺開發

基于前述的炮口撞擊實驗環境，即可進行火炮炮口撞擊參數優化的實驗研究。但是，在實驗過程中撞擊參數的修改、仿真的控制與執行均需要一定的軟件熟知水平，對于普通實驗者來說，不便操作也沒有必要。為此，基于炮口撞擊后坐仿真試驗環境，運用MSC.ADAMS軟件的二次開發功能，進行實驗控制平臺的開發。實驗控制平臺的開發主要包括自定義菜單、自定義對話框、實驗結果輸出設計。

基于ADAMS軟件的開放接口，開發了一級菜單Gunimpact，下有Impact_Test和About二個二級子菜單，如圖3所示。其中，About子菜單用于激發關于虛擬實驗平臺開發的相關信息對話框，信息內容主要包括實驗功能、開發者和開發時間。

Impact_Test子菜單用于激發關于撞擊實驗的自定義對話框，內容包括撞擊參數的輸入和實驗執行控制。撞擊參數輸入包括撞擊質量、撞擊速度、撞擊剛度和緩沖阻尼四個影響因素，默認的初始參數在設計對話框時已經賦予，各種參數的修改具有實時性，即改即確認。實驗執行控制包括仿真時間和仿真步長，以及實驗執行、停止和歸零，如圖4所示。

實驗結果輸出的設計主要關心需要的實驗結果以及實驗的中間過程。輸出的結果主要包括在各種參數組合下進行實驗時的火炮后坐位移、后坐速度曲線，以及本次實驗設計的評估指標-綜合平均誤差A。將火炮模擬試驗和實彈射擊最大后坐速度Vm和后坐行程全長λm的平均相對誤差A作為試驗指標，要求平均相對誤差最小。平均相對誤差A的計算公式為：

式中：右下標-s表示模擬試驗結果，-l表示實彈射擊結果。

3 虛擬實驗實例實用

以某型火炮炮口撞擊實驗為例，以獲得優化的撞擊參數為實驗目標，進行虛擬的炮口撞擊實驗研究。

（1）試驗因素及試驗水平確定。為了獲得優化的撞擊參數組合，運用正交實驗設計，設計了正交實驗設計表格。選取撞擊質量、撞擊速度、撞擊剛度和緩沖阻尼為四個影響因素，其因素及水平如表1所示。

（2）試驗指標確定。將火炮模擬試驗和實彈射擊最大后坐速度Vm和后坐行程全長λm的平均相對誤差A作為試驗指標，要求平均相對誤差最小。

（3）試驗方案確定。四個因素、3個水平，選用正交表L9（34）安排實驗，共計做9次實驗。

（4）進行虛擬實驗。啟動炮口撞擊實驗平臺，設置仿真控制時間0.2s，仿真步長100步。逐實驗號輸入撞擊質量、撞擊速度、撞擊剛度和緩沖阻尼的數值。按RUN執行實驗，記錄輸出A的數值。

（5）實驗結果分析。實驗結果如表3所示。基于極差分析，可以直接發現四個因素對試驗指標的影響程度大小排序為，撞擊質量>撞擊速度>緩沖阻尼>撞擊剛度，并能獲得一組優化值為3600、16、3500、10。進一步進行實驗驗證，結果為0.04569，符合工程不超過5%的精度要求。

4 結語

虛擬實驗平臺的開發，為學員開展實驗研究提供了一種可行的實驗手段，也為實驗系統的開發提供了一種思路。通過課程的教學試用，學員無須掌握專業的MSC.ADAMS動力學仿真軟件，只需了解實驗的背景，即可順利完成炮口撞擊虛擬實驗，能夠獲得優化的、符合工程需求的撞擊參數組合。

【參考文獻】

[1]孟祥增，馬萍，劉瑞梅.三維虛擬場景的創設與立體播放. 中國電化教育，2011（295）：125-128.

[2]劉巧麗，趙愛平.談虛擬實驗及其教學應用[J].衡水學院學報，2008（4）：99-101.

[3]瞿矍.網上虛擬實驗教學的必要性及可行性[J].高教論壇，2004（2）：79-81.

[4]王貢獻，褚德英，張磊，等.艦船設備沖擊試驗機研究進展[J].振動與沖擊，2007，26（2）：152-159.

[5]Faller J G.Simulating firing loads provides flexibility and test repeatability[R].ADA323489，1997.

[6]張鴻浩，陳永才，王瑞林，等.火炮動力后坐運動的數值模擬[J].軍械工程學院學報，2000，12（3）：12-16.

[7]姚養無.火炮后坐仿真試驗系統及其動力學數值仿真[J].兵工學報，2001，22（2）：152-155.