基于ADAMS的碰撞仿真的自动步枪动力学模型研究

摘 要:基于ADAMS软件提出了一种多接触动力学仿真方法,该方法可较好处理多体接触问题。运用该方法建立了某自动步枪的动力学模型并获得了数值仿真结果。

关键词:仿真接触自动步枪

中图分类号:TJ22文献标识码:A文章编号: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

碰撞是自动武器工作时最常见现象,自动武器是以高温、高压、瞬变火药气体为动力工作的强动载机械,自动武器每发射一发子弹,各构件将发生多次碰撞,几乎是在撞击状态下完成自动机循环过程即能量传递过程。自动武器为了完成自动循环射击动作而又不使其整体质量、体积太大,每个构件必须在较小的空间尺寸条件下“身兼数职”,并且各构件之间动作的协调和运动的平稳传递,也必须有相应的结构形状来加以保证,这样就使得枪械零件极不规则,很多情况下是靠零件的复杂轮廓传递运动和力。因此,研究复杂零件碰撞仿真方法对自动武器建模仿真有一定意义。

2接触动力学[1][2]

2.1 接触区域的离散化和接触的判别[1][2]

根据赫兹理论,处于弹性半空间内的接触体之间的接触发生在一个接触区域内,而接触区域通常很难确定,应对接触面进行离散化处理。ADAMS中采用对称点面接触法来离散接触区域,接触区域的离散通过实体模型的集合属性进行。每一个零件都有一个形体(Shell)属性,每一个Shell属性和一个Shell文件相关联。其中形体是通过很多多面体进行布尔运算拼接而成,Shell文件在三维实体创建过程中自动生成,记录包含所有节点的坐标和编号,并随形体的运动而发生相应改变。

两物体的接触判断基于非穿透条件,即相互接触的两个物体不能相互嵌入。确定接触点与目标面之间的间隙或接触穿透是通过把接触点向法向投影获得。节点与投影点的直线距离,如果直线距离小于0,说明接触发生了。反之,表示两个接触体处于分离状态。

2.2 ADAMS中的碰撞力学模型

ADAMS中有泊松模型和接触函数模型两种,期区别主要是在法向接触力的计算上,它们的接触约束方程和接触摩擦力的计算是相同的。

2.2.1 泊松模型

泊松模型中有两个重要参数:恢复系数和罚因子。根据经典碰撞理论,恢复系数定义为物体在碰撞点碰撞前后的相对速度在接触面公法线方向投影的比值。恢复系数的计算公式如下:

(1)

其中——碰撞点处的公法线单位矢量;

——刚体A和刚体B在碰撞前的速度;

——刚体A和刚体B在碰撞后的速度。

实验分析表明,恢复系数的值与碰撞体的质量、形状及其相对速度有关。但在实际计算中,人们常常将恢复系数仅看作与相接触的材料特性有关。

罚因子是一个与瞬时穿透深度、刚度有关的因数。

泊松模型的法向接触力公式如下:

(2)

其中——两接触物体的瞬时穿透量;

——表示碰撞后两物体的分离速度。

当罚因子时,式(2)满足非穿透条件。但过大的罚因子会引起方程的病态,所以,在进行迭代计算中,引入了拉格郎日乘子,方程(2)改写为:

(3)

其中——迭代系数。

2.2.2 接触函数模型

等效弹簧阻尼法将接触变形假设为等效弹簧—阻尼模型,假设变形限制在接触区内,弹簧接触力根据Hertz接触规律确定,接触过程的能量损失由一个与弹簧平行的阻尼器确定。等效弹簧阻尼法通过求解动力学微分方程来计算接触。

接触函数模型中的法向接触力公式如下:

(4)

其中——弹簧刚度系数;

——两接触物体的瞬时穿透量;

——作用力指数;

——阻尼系数。

当碰撞速度较高时,按公式(4)计算的结果偏差较大,因此对阻尼的处理需进行一定的修正。

(5)

其中——接触点最大变形量;

——最大阻尼系数;

——线性函数,使得当阻尼系数随接触变形量的增加而线性增大,当瞬时穿透量为最大时,阻尼系数取最大,避免了当接触开始时出现的非零阻尼力。

3复杂零件碰撞处理方法及仿真算例

ADAMS软件提供有创建几何模型的部件库,但造型功能不强。自动武器系统通常结构较为复杂,很多零件结构由众多高级实体特征组成。这样直接在ADAMS中建立模型难以实现。通常的做法是先在三维造型软件中建立三维实体模型,然后利用ADAMS提供的模型转换模块ADAMS/Exchange传递模型。ADAMS提供了与三维造型软件Pro/ENGINEER无缝连接的接口,这样在Pro/ENGINEER应用环境就可以将装配完毕的自动武器根据其部件间运动关系定义模型,然后将模型传送到ADAMS/View中进行动力学分析。

ADAMS是借助Unigraphic公司的Parasolid几何引擎来处理外部三维实体,接触的处理主要是接触判断、渗透量的计算。选择Parasolid引擎时,其默认的方法为Joe方法。首先对碰撞区域进行网格划分,计算每个三角面片的法线方向。然后对网格区域的每个法线方向进行规格化处理,得到作用力方向。穿透量由下式得到:

(6)

其中:为碰撞区域体积,认为此区域为平行六面体;为相交区域的面积。运用上式可得到穿透量,其对时间的导数为穿透速度。

为了真实进行自动武器仿真就要尽可能定义实体接触,而提高仿真精度主要取决于几何形体轮廓的精确度,要提高仿真精度,就必须提高图形转换时的精度。图是不同精度转换到ADAMS环境中比较图。导入的实体是由STL文件导进来的,STL文件所描述的形体表面是用小的三角形面片组成的,由离散点形成的曲线是样条曲线,由其弦组成的三角形则是实体的边界,并不是光滑的曲面,如果导入图形精度较低,不但降低仿真精度有时甚至会导致仿真失败。

通过研究发现,在Pro/ENGINEER的MECH/Pro菜单下向ADAMS传递模型时,采用相同的输出精度,同一部件在只有一个刚体情况下输出图形精度要高于该部件在有多个刚体情况下输出的图形精度。这样为了提高仿真精度,对于那些参与碰撞的零部件将它们分别作为单个刚体输出图形文件,然后将生成的图形文件替换掉原先的图形文件即可。

以某自动步枪为例,进行四连发仿真计算,图2给出了自动机v-t曲线,从图2中可看出该步枪实现对射击频率的特殊要求。

4 结语

基于ADAMS软件提出了一种多接触动力学仿真方法,该方法可较好处理多体接触问题。运用该方法可提高自动武器动力学仿真的精度。

参考文献

[1]G.M.Gladwell著,范天佑译,经典弹性理论中的接触问题[M].北京:北京理工大学出版社,1991.

[2]梁敏,洪嘉振,刘延柱.多刚体系统碰撞动力学方程及可解性判别准则[J].应用力学学报,Vol8 No.1,1991.

[3]三维建模中碰撞检测技术的基本算法研究张云哲[J]．科技创新导报，2010，24：15．

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