Методика исследования динамических процессов 3б - модели механизма стрелково-пушечного вооружения в среде MatLab Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.4

А.В. Осадчий, асп., 8 (953) 429-61-64, sander-dalahan@yandex. ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Н.Е. Стариков, д-р техн. наук, проф., starikov [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 3D-МОДЕЛИ МЕХАНИЗМА СТРЕЛКОВО-ПУШЕЧНОГО ВООРУЖЕНИЯ В СРЕДЕ MATLAB

Рассмотрены возможности проектирования процессов, протекающих в стрелковом оружии во время выстрела.

Ключевые слова: экспорт, импорт, трансляция, математическая модель, исследование, динамика.

Методика исследования механизмов стрелково-пушечного вооружения (СПВ) включает следующие этапы.

Этап 1. Получение из BD-модели САПР SolidWorks и Pro/Engineer исследуемого механизма математической модели в среде MatLab:

- экспорт BD-модели в xml-файл данных;

- импорт xml-файла данных в среду MatLab.

Этап 2. Доработка полученной математической модели исследуемого механизма.

Этап 3. Исследование динамики механизма.

1.1. Получение из 3D-модели САПР SolidWorks и Pro/Engineer исследуемого механизма математической модели в среде MatLab

Последовательность трансляции BD-модели в среду MatLab включает следующие процедуры:

- экспорт BD-модели САПР SolidWorks и Pro/Engineer в xml-файл данных (рис. 1);

- импорт xml-файла данных в среду MatLab (рис. 2).

Рис. 1. Экспорт 3В-модели из CAD-системы

Рис. 2. Импорт xml-файла данных в среду MatLab

1.1.1. Экспорт 3Б-модели в xml-файл данных

Для экспорта из CAD-систем SolidWorks или Pro/Engineer 3D-модели механизма в CAE-систему MatLab необходимо сохранить сборку 3D-модели в формате xml. Для версий MatLab 2008b и старше вместе с xml-файлом CAD-транслятор создаёт stl-файлы, необходимые для визуализации модели в среде MatLab.

XML-файл - текстовый файл, в котором детали исходной сборки механизма интерпретируются как тела, а сопряжения между ними - как степени свободы.

STL-файлы, создаваемые в процессе трансляции, содержат описание геометрии деталей и могут быть получены старшими версиями CAD-трансляторов, начиная с версии 3.0 (MatLab R2008b).

Экспорт 3D-модели может происходить как с раскрытием подсбо-рок, так и без их раскрытия.

Если при экспорте 3D-модели детали, объединённые в подсборку, интерпретируются в системе MatLab как одна деталь, - это экспорт 3D-модели с нераскрытием подсборок.

Если при экспорте 3D-модели детали, объединённые в подсборку, интерпретируются в системе MatLab как разные детали, - это экспорт 3D-модели с раскрытием подсборок.

Сохранение 3D-модели в среде SolidWorks отличается от сохранения 3D-модели в среде Pro/Engineer.

Для сохранения 3D-модели в xml-файл данных в системе SolidWorks необходимо вызвать пункт меню «Файл» -> «Сохранить как» и выбрать расширение файла *.xml. На рис. 3 и 4 приведен пример сборки из двух деталей - стойки и маятника, SolidWorks и полученной динамической модели в среде MatLab.

Рис. 3. SD-модель в SolidWorks

Рис. 4. Модель в MatLab

В Simulink-модели присутствуют обязательные блоки:

- RootGround (обозначает твёрдое основание, например, землю);

- env (задаёт параметры модели, такие как направление и величину силы гравитации);

- RootPart (тело нулевой массы, необходимое для создания замкнутой системы). Модель содержит два тела Body (stoika-1 и swing-1) и три типа соединений, задающие степени свободы между телами, Joint (Weld, Weldl- жесткие соединения и Revolute - вращение).

Изменить настройки трансляции в системе SolidWorks можно двумя способами. Первый способ позволяет изменять свойства трансляции из окна параметров CAD-транслятора (меню SimMechanics Link) (рис. 5). По умолчанию в системе SolidWorks параметры настроены на раскрытие под-сборок (опция «Решить свободно»)

Второй способ позволяет изменять свойства трансляции непосредственно в окне свойств компонента подсборки (рис. 6). Вкладка Solve Sub-Assemblies Using определяет, будет ли данная подсборка транслирована как одна деталь (трансляция без раскрытия) или нет. Включённая опция Flexible Settings определяет трансляцию с раскрытием подсборки. Опция Component properties определяет трансляцию согласно настройкам системы SolidWorks (окно параметров CAD-транслятора). Вкладка Assembly Tolerances определяет точность, с которой все размеры подсборки будут учтены.

Рис. 5. Окно параметров Рис. 6. Окно свойств компонента

настройки трансляции сборки (подсборки)

В Pro/Engineer, чтобы транслировать сборку, необходимо сделать следующие шаги.

1. Выбрать в меню "SimMechanics" пункт "Export xml". Откроется окно выбора папки (рис. 7) для сохранения будущего xml-файла.

2. После выбора папки в нижней части главного окна появится текстовое поле и две кнопки (рис. 8). Текстовое поле служит для ввода имени

будущего xml-файла данных, а кнопки "ok" и "cancel" - для подтверждения или отклонения действия соответственно. В системе SolidWorks процесс трансляции выглядит нагляднее и построен на интуитивно-понятном интерфейсе в отличие от того, как он реализуется в системе Pro/Engineer.

Рис. 7. Окно выбора папки для сохранения xml-файла

I Давка Фсрнаг Оправка

|<?ип1 versiort=''l. û"?>

<Physi cal Model inq>MLFile> _ □

■cfarnàtversi on> 1. Cl.2"</f[irmatver5icn>

<creaTedusirig>"5iifflechanics Translator version l.l"</createdusing> <createdFran>"solidwork5 15.2.2u</createdFran> <createtton>"ll/29Aû| 113:54:40"</created0n> <createdBy>"No formal user defined1"</createdBy> •dtiodel Naitie> "pp2 Oûû_podacha_pat r ona_MY_4Ani ш " </model Name> <subsystem> <Subsystm>

<naffle>1,PP2ûûû_podacha_pat r cna_MY_4Ani m " </name> <sTatus>""</status> <bodies> <Body>

<name> "Root part"</narae>

<status>""</status>

<mass>Q<^nass>

<mas suni ts >"k g"</)nas s uni ts >

iinertîa^O.Q.M.Q.OjO.Oi/inertiai

<i nert i aUni ts >"k gvm*2"</i nerti alni ts >

<volune>0</vcl ume>

<voluneJiits>'W'<AolLrieuiits>

<surfaceArea>Q</surfaceArea>

<surfаседгeaunits "</s urfаседг eaunit s>

<fr aires >

<Frame ref = "2"> <name>"CS0"</name> <position>û,û,û</position> <pcs i t i onOr i g i n> "V.ORLD" </pos itionOrigiru <positionRef erenceFrame>"WORLD"</positi onReferenceFrame> ^

Рис. 8. Сгенерированный xml-файл данных

1.1.2. Импорт xml-файла данных в среду MatLab

Система MatLab на основе сгенерированного xml-файла данных (рис. 8) строит динамическую модель.

Импорт xml-файла в среду MatLab осуществляется командой import_physmod (в версиях MatLab до 2008a включительно), а начиная с версии 2008b - командой mech_import.

В процессе трансляции могут возникать ошибки. CAD-транслятор по каким-либо причинам может не распознать соединение деталей и воспринять его как жёсткое соединение (Weld) - тогда вместе с xml-файлом создаётся файл ошибок. В файле ошибок указываются тела и сопряжения между ними, которые транслятор не смог правильно интерпретировать. Для исправления ошибок можно либо заменить тип сопряжения в исходной сборке BD-модели, либо заменить степени свободы между телами в динамической модели в соответствии с задачей исследования.

Импорт xml-файла в среду MatLab, начиная с версии 2008b, возможен в разных режимах: создание новой модели; обновление существующей модели или обновление одной или нескольких подсистем в существующей модели (рис. 9).

Рис. 9. Чтение xml-файла системой MatLab

При импорте xml-файла данных необходимо, чтобы stl-файлы находились в той же папке.

Таким образом, на этом этапе происходит преобразование геометрии деталей и их сопряжений из BD-моделей САПР SolidWorks или Pro/Engineer в массоинерционные характеристики и степени свободы между телами динамической модели Matlab.

1.2 Доработка полученной математической модели исследуемого механизма

Полученная динамическая модель в MatLab содержит массоинер-ционные характеристики деталей и степени свободы между телами, но не содержит действующих сил, и все необходимые силы необходимо моделировать в среде MatLab Simulink самостоятельно в соответствии с задачей исследования.

Для исследования механической системы необходимо воспользоваться библиотекой Simulink SimMechanics (рис. 10-11).

■ Actuator

Рис. 10. Блоки силового воздействия

Рис. 11. Блоки, работающие с сигналом в формате Simulink

Body Actuator - блок передачи управляющего сигнала. Body Sensor - блок для измерения параметров механических звеньев. Он присоединяется к звену, в окне настройки его параметров устанав-

ливаются измеряемые величины (сила, момент, угол, угловая скорость, угловое ускорение, линейная позиция и т.д.). Body Sensor преобразует измеренный сигнал к формату Simulink.

Constant - блок, задающий постоянный сигнал. Сигнал формата Simulink.

Gain - блок увеличения или уменьшения сигнала. На число, заданное в этом блоке, умножается сигнал, подключённый к этому блоку.

1.3. Исследование динамики механизма

Моделирование работы механизма в среде Simulink проводится в режимах прямой динамики или обратной динамики.

В режиме прямой динамики входными являются управляющие воздействия (силы, моменты), а выходными (измерения) - параметры движения: величины линейных и угловых перемещений, скорости, ускорения, время перемещений.

В режиме обратной динамики исходными являются перемещения механизмов и их элементов как функции времени. В результате моделирования определяются силы (моменты), вызвавшие перемещения.

Для трёхмерной визуализации моделируемой сборки в среде Mat-Lab необходимо, чтобы stl-файлы находились в той же папке, что и mdl-файл динамической модели.

После проведённого моделирования необходимо зафиксировать результаты работы и для этих целей в библиотеке элементов Simulink есть элементы, обеспечивающие вывод информации в числовом (Display) или графическом виде (Scope) или передачу ее как массива данных в рабочую область (To Workspace) для последующей обработки.

A.V. Osadchiy, N.E. Starikov

TECHNIQUE TO STUDY DYNAMIC PROCESSES OG 3D-MODEL OF THE MECHANISM OF SMALL ARMS AND CANNON ARMAMENT IN MATLAB

The possibilities of the design of processes in small arms during the shot are considered.

Key words: export, import, transmission, mathematical model, study the dynamics.

Получено 17.10.12