基于虚拟样机的某弹协调器定位可靠性分析

王惠方，潘江峰，宋华斌，解凤娟，侯立国

（西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

基于虚拟样机的某弹协调器定位可靠性分析

王惠方，潘江峰，宋华斌，解凤娟，侯立国

（西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

弹协调器是大口径火炮装填系统的重要组成部分。针对某弹协调器的定位可靠性进行仿真分析及可靠度计算，在Recur Dyn中建立弹协调器多刚体模型和刚柔耦合虚拟样机模型，导入Matlab中建立机械控制混合模型，在协调器协调65°的工况下，进行协调运动仿真。根据弹协调器样机试验测试结果对两种模型的仿真结果进行评价，其中刚柔耦合仿真模型的正确性得到验证；在考虑协调过程中的蜗轮的磨损、小平衡机压力变化、驱动电压变化3个影响因素的基础上进行仿真，从而得到可靠性分析数据；采用响应面法与蒙特卡洛法相结合的方法对协调器65°协调定位可靠度进行计算。

弹协调器；定位可靠性；虚拟样机；蒙特卡洛法

弹药自动装填系统是大口径自行火炮的重要组成部分，其性能是制约火炮作战效能提升的关键因素之一。某火炮弹药自动装填系统可实现弹丸的全自动装填，弹协调器对弹丸的传送是弹丸装填过程中的一个重要环节。

弹协调器用于接收弹仓推出的弹丸，然后通过旋转实现与火炮射角的协调，之后通过翻转将弹丸传送到输弹线上，最后由输弹机输弹入膛。该弹协调器由两个串励式直流电机并联驱动，减速部分包括两级直齿轮传动和一级蜗轮蜗杆传动，其中蜗轮与耳轴固联。平衡油缸和蓄能器等组成的小平衡机，用于平衡协调器的重力矩，减小驱动电机的负载，支撑协调器平稳运动。协调器与托架之间有角度传感器，用于提供协调器相对于起落部分的角度信号，使协调器转至正确位置［1］。

笔者利用虚拟样机技术，建立了弹协调器的多刚体模型和刚柔耦合模型，通过实物样机测试对两种模型的仿真结果进行评价。在此基础上，利用正交试验设计方法对弹协调器的协调定位精度进行虚拟样机仿真，并采用响应面法与蒙特卡洛法相结合的方法对协调器65°协调定位可靠度进行计算。

1 弹协调器虚拟样机建模

在UG软件中建立弹协调器的几何装配模型，利用其与Recur Dyn软件的接口，导入到Recur Dyn中，根据协调器各部件间的拓扑关系，为协调器各零件间建立约束关系，从而建立多刚体虚拟样机模型，如图1所示。利用Recur Dyn中自带的R-Flex模块，对支臂进行模态分析，替代刚性支臂，其他零件仍为刚体，从而建立协调器刚柔耦合虚拟样机模型，如图2所示。

在虚拟样机中，导入计算得到的平衡机力随角度变化的曲线，来模拟小平衡机的作用，齿轮间采用实体接触碰撞的约束关系。

1.1 机械控制联合仿真模型建模

协调器由两个串励式直流电机并联驱动，电机的数学模型为

式中：U为电机输入电压；E为反电动势；Ra为电枢电阻；Ia为电枢电流；La为电枢绕组电感；Φ为主磁通；Kf为励磁系数；Ce为反电动势系数；ω为电机转速；T为电机输出转矩；CT为电磁转矩系数［2］。

根据电机的控制方案，采用Matlab／Simulink建立控制系统模型，利用Recur Dyn与Matlab的接口将机械模型导入，并将其与控制系统模型连接，从而建立机械控制混合仿真模型［3］，如图3所示。

1.2 模型仿真分析及试验验证

对多刚体模型和刚柔耦合虚拟样机模型分别设置初始仿真参数，蜗轮磨损量为0 mm，小平衡机压力为5 MPa，电机驱动电压为26 V，进行仿真分析。

以实物样机为试验对象，把测试结果采集记录后，分别得到协调器沿z轴的角位移信号及x、y、z轴3个方向的角速度信号，对数据进行必要的滤波处理，得到协调器协调65°的角位移曲线和角速度曲线。与理想状态时弹协调器多刚体模型及刚柔耦合模型仿真结果对比，如图4和图5所示。

试验测试了弹协调器在65°协调时的运动姿态，揭示了弹协调器协调动作的运动规律，弹协调器的仿真曲线与角速度测试曲线在加速段和减速段的运动过程存在一定偏差，但在最终定位阶段基本一致，最终都能定位在目标位置。由此看出刚柔耦合模型与系统实际表现更加接近，因此利用该模型可进行后续的可靠性计算。

2 协调65°定位仿真分析

正交试验设计方法是一种用正交表安排多因子试验的设计方法，是一种高效率、快速、经济的试验设计方法［4］。依据三因素五水平的正交表要求，对弹协调器刚柔耦合虚拟样机模型进行仿真分析，得到的仿真结果如表1所示。

3 协调65°定位可靠度计算

机构运动可靠度计算方法有解析法、响应面法、动态故障树法、重要抽样法、蒙特卡洛方法等［5］，其中蒙特卡洛法又称随机抽样法或统计试验法，主要用于求解具有随机性不确定性问题［6］。在实际工程问题中，大多数情况下状态函数与基本随机变量之间的显式函数关系是不存在的，这时可以应用数值模拟的方法拟合一个输出与随机变量之间的关系式，从而建立响应面多项式。

笔者采用响应面法与蒙特卡洛方法相结合的方法，利用Design Expert软件，采用逐步回归的方法对仿真得到可靠性数据进行响应面多项式的拟合。

通过对随机变量进行大量的随机抽样，然后把抽样值依次代入功能函数，根据计算得到的功能函数值，确定可靠与否，最后根据事件发生次数，计算出事件发生的频率从而得到可靠度或失效率［7］。其中，得到定位值与随机变量之间的关系表达式如下：

式中：F表示定位值；U表示驱动电压；p表示小平衡机压力；M表示蜗轮磨损量。

根据Design Expert软件得到的响应面表达式，在Isight软件中的Calculator模块进行近似建模，建立蒙特卡洛仿真任务组件，如图6所示。

设定影响定位误差的各因素的分布规律如表2所示。

根据上述的假定对蒙特卡洛模块进行变量的设置，根据指标要求允许定位误差值为0.6°，即输出值范围为（64.4°，65.6°）时，定位准确。采用描述抽样的方式，设置仿真次数为10 000，仿真结果如图7所示。

由图7蒙特卡洛仿真结果可知，弹协调器协调65°定位可靠度为0.840 9。

4 结束语

笔者以虚拟样机技术为基础，分别建立了弹协调器多刚体模型和刚柔耦合机械控制联合仿真模型，较真实地模拟了恶劣工作环境下的协调角位移与运动姿态，同时仿真结果也得到了实物样机试验的验证。设计正交试验从虚拟仿真中得到了计算可靠性所需的数据，应用响应面法进行了多项式拟合，并采用Isight软件中蒙特卡洛方法对弹协调器协调65°时的定位可靠性进行了随机抽样，计算出了协调器协调定位的可靠度。采取的方法可应用于对一般机电产品进行可靠性分析评估。

（References）

［1］侯保林，樵军谋，刘琮敏.火炮自动装填［M］.北京：兵器工业出版社，2010.

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［2］程明.微特电机及系统［M］.北京：中国电力出版社，2004.

CHENG Ming.Small＆special electrical machines and system［M］.Beijing：China Electric Power Press，2004.（in Chinese）

［3］李剑锋，汪建兵，林建军，等.机电系统联合仿真与集成优化案例分析［M］.北京：电子工业出版社，2010.

LI Jianfeng，WANG Jianbin，LIN Jianjun，et al.Mechanical and electrical system simulation and integrated optimization of joint case analysis［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2010.（in Chinese）

［4］姜欣，方立桥，李明，等，Isight参数优化理论与实例详解［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2012.

JIANG Xin，FANG Liqiao，LI Ming，et al.Isight parameter optimization theory and example explanation［M］.Beijing：Beihang University Press，2012.（in Chinese）

［5］张建国，苏多，刘英卫.机械产品可靠性分析与优化［M］.北京：电子工业出版社，2008.

ZHANG Jianguo，SU Duo，LIU Yingwei.Mechanical product reliability analysis and optimization［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2008.（in Chinese）

［6］卫军胡.蒙特卡洛方法在系统工程中的应用［M］.西安：西安交通大学出版社，2007.

WEI Junhu.The Monte Carlo method in the application of system engineering［M］.Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，2007.（in Chinese）

［7］杨虎，钟波，刘琼荪.应用数理统计［M］.北京：清华大学出版社，2006.

YANG Hu，ZHONG Bo，LIU Qiongsun.Applied mathematical statistics［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2006.（in Chinese）

Analysis on Positioning Reliability of the Coordinator Based on Virtual Prototype

WANG Huifang，PAN Jiangfeng，SONG Huabin，XIE Fengjuan，HOU Liguo

（Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China）

Coordinator is an important part of the large caliber gun auto-loading system.This paper is aimed at the positioning reliability of the coordinator，simulation analyzing and reliability computing.The multi-rigid-body model and the rigid-flexible virtual prototype model of the coordinator were established in Recur Dyn software，and each model was imported to Matlab software，so the hybrid model of electromechanical was set up with the motor control model established.These two coordinator models were simulated respectively in 65 degrees working condition，and the rigid-flexible model was proved correct by the actual testing result.After wards，given several factors affecting the accurate positioning such as worm wear，pressure change of the small balancing machine and motor driving voltage change，simulations were carried out to get data for reliability analysis.Through response surface methodology and Monte Carlo simulation，the coordinator positioning reliability of coordinating 65 degrees is to be calculated.

coordinator；positioning reliability；virtual prototype；Monte Carlo

TJ303+.3

A

1673-6524（2015）03-0027-04

2014- 11- 10；

2015- 04- 21

王惠方（1972－），男，研究员级高级工程师，主要从事火箭炮系统技术研究。E-mail：stonar＠sina.com