大口径机枪发射运动虚拟仿真软件设计

梁振刚 孙文才 刘 澎 李 睿 李佳泓

(沈阳理工大学装备工程学院，辽宁 沈阳 110159)

1背景与意义

武器弹药的真实展示和实验具有危险性高、不易操作和实验现象难以捕捉的特点，在兵器学科的多个专业课程教学中，教师无法真实呈现与课程相关的模型及其内部结构和工作原理，而且课程实验也很难操作和实现，这严重影响了课程的教学效果和学生的学习兴趣。虚拟仿真技术由于其自由度高、交互性强、仿真度高、无器材消耗等优点，在高校教育中开始得到广泛的应用。如今，仿真实训成为实训教学重要的组成部分和提高教学质量的重要手段。将虚拟仿真技术引入课堂，通过应用虚拟仿真教学软件，可实现教学中真实的零部件及其复杂的工作过程的虚拟展示，为学生体验更真实和近距离观察自动武器工作过程提供了可能，同时也可以让学生更加直观的了解自动武器的工作原理，这既方便了教师上课讲解，也便于学生的课后复习。

在自动武器结构设计课程中，大口径机枪是一种典型的自动武器，目前，大口径机枪各零部件结构和工作原理展示多以平面剖视图为主，缺乏动态演示，对于空间感不强的同学来说理解起来十分困难。并且机枪属于管制武器，发射过程的真实演示具有高危险性，机枪的射速大约600发/min，发射过程瞬间完成，并且发射过程中外部有壳体遮挡，很难看清发射过程时的机构动作，所以使用真实机枪进行教学演示不具有可能性。而单纯依靠图片和语言教学又难以让学生完全理解机枪的工作原理。所以我们希望通过建立大口径机枪三维动态模型，使讲解方式由图片加文字的静态教学变为易于理解的动态展示。动态展示不仅仅是简单的动画演示，而是以数学模型为基础的虚拟运动仿真，可以最大限度的符合真实情况，使学生们能够仔细观察到机枪组成结构、各个零件的细节特征和发射过程中任意时段机构运动过程。

在工业领域虚拟仿真早已崭露头角，西门子打造了制造虚实“双胞胎”流水线，通过虚拟仿真技术远程展现实际流水工况和数据。2016年初，罗克韦尔•柯林斯与美国虚拟仿真软件公司WorldViz合作开展维修培训器项目。

虚拟仿真产业即将驶入发展快车道，目前美国的虚拟仿真技术应用在国际上处于领先地位，已成为业界标杆，其他国家如英国、德国、日本基本与其大同小异。纵观各国发展态势，虚拟仿真技术的发展已在科学实验、仿真模拟等方面落地生根，并呈现出稳步上升的趋势。

实践证明，在虚拟战场环境中对诸军兵种进行联合战役训练能够极大地提高参展部队的作战能力，并能缩减武器的研发和实训阶段的费用。据悉，美国第四代战斗机F-22和JSF在研制全周期中，由于采用了虚拟仿真技术，实现了3D数字化设计，使得研发周期缩短50%，节省研发经费93%。

2主要方法及其创新点

2.1主要方法

(1)在对典型大口径机枪结构分析的基础上，确定机枪主要零部件组成及各零部件结构尺寸参数。

(2)用UG分别对各零部件进行建模并装配成一个整体，得到大口径机枪机构的整机模型。将UG模型转化为3D MAX可识别的模型并进行附材质、渲染，导出为FBX格式。

(3)分析大口径机枪工作原理，建立各机构动作的运动仿真数学模型。

(4)将三维模型导入Unity 3D，结合运动仿真数学模型，应用可视化技术——编程实现大口径机枪发射虚拟运动仿真软件设计。

2.2创新点

通过建立数学仿真模型，能够模拟大口径机枪真实发射过程，用来解决传统教学中硬件资源不足的问题。项目中的动态展示不仅是简单的动画展示，而是基于实际情况的真实模拟。动态展示中不仅可以观察到机构的细节特征，也可以观察到任一发射时期的机构运动过程。通过发射原理动态展示，可以加深学生对发射原理理解。此外，既能让教师在课上通过电脑演示方便学生理解，也能将程序发给学生，让学生反复观察加深对大口径机枪结构细节及其工作原理的理解，兼具娱乐性的同时提高教学质量。

3收获和体会

在研究方面，最深的体会就是要勤于思考，主动进行实践环节。创新性试验并没有已有的模板可以按部就班，需要一步步的计划并且在实施过程中进行协调。每一个环节都需要独立的思考和大家共同的参与与配合。在创新方面，重在明确创新的方向和目标。在多次的反复协商讨论后，我们达成一致的意见，之后的所有工作都围绕它开展。我们用尽可能科学的方法，进行了相关的模型分析，对于数据来源严格把关，尽可能确保每一份问卷的真实性与有效性。对于获得的数据，进行了后期的分析与挖掘，以得出可信度高的结果。最后，任何一个突破性、创新性的成就都是从“平凡有点枯燥”的过程中一步步得出来的。在这次实训中，我们学会了理论联系实际，不仅加强了对专业知识的理解与运用，也学会了迎难而上，同时还有坚持不懈的务实态度和团队协作的精神，创新创业实训成为了我们成长过程中的宝贵经验和财富。

实践是学习知识最好的方法，它能教会我们很多书本上永远阐释不出的东西。我们体会最深的是要勤于思考，要善于从不同角度分析问题。在创新方面，首先要确定创新的方向和目标，始终围绕创新点，不能偏离主题，也不能随意猜测，而要有根据、有目的地做出假设，再一步步通过实践去论证自己的猜测。其实，每一个伟大的成就都是这样“平凡”地一步一步实现的。该项目真正做起来才发现并不那么容易，需要做很多的工作，并且这些工作都还需要很大的耐心和毅力。比如早期的文献查阅、数据收集、数据大算及其分析、模型构建。整个过程中我认识到做科研必须具有一丝不苟的严谨态度，要本着对科研负责、对科学负责的态度，进行自己的研究。