基于虚拟样机的一种装备教学实验平台开发与应用

杨玉良　狄长春　吴大林

基于虚拟样机的一种装备教学

实验平台开发与应用

杨玉良1 狄长春2 吴大林1

（1.陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050003;

2.陆军研究院炮兵防空兵所，中国 北京 100012）

【摘 要】为在课堂上开展装备教学实验，基于虚拟仿真软件MSC.ADAMS，以炮口撞击模拟火炮实弹射击实验为背景，建立了火炮装备的虚拟样机和炮口撞击实验平台。为了使得实验参数易修改、实验控制易操作、输出结果更直观，在此基础上，运用MSC.ADAMS软件的二次开发功能，建立了炮口撞击实验的控制平台，为开展炮口撞击实验以及获得优化的撞击参数组合提供了便捷的实验手段。课程试用表明，基于虚拟样机的实验平台开发，既为学员开展实验研究提供了一种可行的实验手段，也为实验系统的开发提供了一种思路。

【关键词】虚拟样机;实验平台;虚拟实验;火炮

中图分类号：TJ306+.1 文献标识码： A 文章编号： 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

实验既是深化抽象原理知识的认识手段，更是锻炼实践能力的重要手段。为此，从小学到大学，从日常生活到教学科研，用于开展各种实验的实验系统和实验平台无处不在，发挥着十分重要的知识理解和能力培养作用。在20世纪90年代以前，开展的科学实验都是看得见、摸得着的真实的实体实验。然而之后虚拟实验的崛起，使得科学实验更加多样化，而且随着计算机应用技术、多媒体技术等新技术的不断成熟与进步，越来越多的真实实验由虚拟实验所取代[1-3]。本文为了使学员在课堂上更好地熟悉和掌握实验操作技巧和具体实验方法，也为实装实验的开展奠定基礎，将虚拟实验引入教学，以具体教学虚拟实验平台开发与应用为例开展研究。

高速大质量块撞击火炮炮口从而用来模拟火炮射击过程，被证明是一种技术可行的火炮动力后坐模拟手段[4-5]，图1所示为火炮冲击后坐力学模型，其中，撞击质量m1、撞击速度v1、撞击刚度k和缓冲阻尼c是影响射击模拟精度四个重要的撞击参数[6-7]。为了方便获得与具体火炮配套的、优化的撞击参数组合，论文脱离火炮实装平台，基于虚拟样机技术，开发了一种虚拟的火炮撞击实验平台，为获得配套的、优化的撞击参数组合提供实验研究平台。

1 炮口撞击实验环境开发

根据火炮结构原理知识，研究具体型号火炮的结构形式和拓朴关系，基于参数化建模软件Pro/E，即可建立火炮的三维数字模型。通过数据接口导入多体动力学软件MSC.ADAMS后，正确施加各种力、运动、约束副和外挂程序，准确赋予各种参数，即可完成火炮虚拟样机的开发。

为了模拟实现高速大质量块撞击炮口的过程，在身管正前方，建立与身管炮膛轴线同轴的圆柱形冲击质量块，赋予冲击质量块较高的初始速度，使其相对于身管作同轴平移，关键参数是撞击质量和撞击速度。冲击质量块与身管之间建立碰撞约束，用以模拟撞击及射击脉冲的转换过程，关键参数是撞击刚度和缓冲阻尼。

至此，以火炮多刚体模型为基础，依托MSC.ADAMS环境，建立了炮口撞击实验环境，如图2所示。

2 实验控制平台开发

基于前述的炮口撞击实验环境，即可进行火炮炮口撞击参数优化的实验研究。但是，在实验过程中撞击参数的修改、仿真的控制与执行均需要一定的软件熟知水平，对于普通实验者来说，不便操作也没有必要。为此，基于炮口撞击后坐仿真试验环境，运用MSC.ADAMS软件的二次开发功能，进行实验控制平台的开发。实验控制平台的开发主要包括自定义菜单、自定义对话框、实验结果输出设计。

基于ADAMS軟件的开放接口，开发了一级菜单Gunimpact，下有Impact_Test和About二个二级子菜单，如图3所示。其中，About子菜单用于激发关于虚拟实验平台开发的相关信息对话框，信息内容主要包括实验功能、开发者和开发时间。

Impact_Test子菜单用于激发关于撞击实验的自定义对话框，内容包括撞击参数的输入和实验执行控制。撞击参数输入包括撞击质量、撞击速度、撞击刚度和缓冲阻尼四个影响因素，默认的初始参数在设计对话框时已经赋予，各种参数的修改具有实时性，即改即确认。实验执行控制包括仿真时间和仿真步长，以及实验执行、停止和归零，如图4所示。

实验结果输出的设计主要关心需要的实验结果以及实验的中间过程。输出的结果主要包括在各种参数组合下进行实验时的火炮后坐位移、后坐速度曲线，以及本次实验设计的评估指标-综合平均误差A。将火炮模拟试验和实弹射击最大后坐速度Vm和后坐行程全长λm的平均相对误差A作为试验指标，要求平均相对误差最小。平均相对误差A的计算公式为：

式中：右下标-s表示模拟试验结果，-l表示实弹射击结果。

3 虚拟实验实例实用

以某型火炮炮口撞击实验为例，以获得优化的撞击参数为实验目标，进行虚拟的炮口撞击实验研究。

（1）试验因素及试验水平确定。为了获得优化的撞击参数组合，运用正交实验设计，设计了正交实验设计表格。选取撞击质量、撞击速度、撞击刚度和缓冲阻尼为四个影响因素，其因素及水平如表1所示。

（2）试验指标确定。将火炮模拟试验和实弹射击最大后坐速度Vm和后坐行程全长λm的平均相对误差A作为试验指标，要求平均相对误差最小。

（3）试验方案确定。四个因素、3个水平，选用正交表L9（34）安排实验，共计做9次实验。

（4）进行虚拟实验。启动炮口撞击实验平台，设置仿真控制时间0.2s，仿真步长100步。逐实验号输入撞击质量、撞击速度、撞击刚度和缓冲阻尼的数值。按RUN执行实验，记录输出A的数值。

（5）实验结果分析。实验结果如表3所示。基于极差分析，可以直接发现四个因素对试验指标的影响程度大小排序为，撞击质量>撞击速度>缓冲阻尼>撞击刚度，并能获得一组优化值为3600、16、3500、10。进一步进行实验验证，结果为0.04569，符合工程不超过5%的精度要求。

4 结语

虚拟实验平台的开发，为学员开展实验研究提供了一种可行的实验手段，也为实验系统的开发提供了一种思路。通过课程的教学试用，学员无须掌握专业的MSC.ADAMS动力学仿真软件，只需了解实验的背景，即可顺利完成炮口撞击虚拟实验，能够获得优化的、符合工程需求的撞击参数组合。

【参考文献】

[1]孟祥增，马萍，刘瑞梅.三维虚拟场景的创设与立体播放. 中国电化教育，2011（295）：125-128.

[2]刘巧丽，赵爱平.谈虚拟实验及其教学应用[J].衡水学院学报，2008（4）：99-101.

[3]瞿矍.网上虚拟实验教学的必要性及可行性[J].高教论坛，2004（2）：79-81.

[4]王贡献，褚德英，张磊，等.舰船设备冲击试验机研究进展[J].振动与冲击，2007，26（2）：152-159.

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

[6]张鸿浩，陈永才，王瑞林，等.火炮动力后坐运动的数值模拟[J].军械工程学院学报，2000，12（3）：12-16.

[7]姚养无.火炮后坐仿真试验系统及其动力学数值仿真[J].兵工学报，2001，22（2）：152-155.