一種火炮身管的模板化設(shè)計(jì)方法

趙 萌，溫 波，王在森，張 銘

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

火炮身管是實(shí)現(xiàn)火炮發(fā)射彈丸的核心零部件，所承受的載荷主要來(lái)自發(fā)射時(shí)的火藥氣體壓力、彈丸沿膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)阻力(矩)、彈丸出炮口時(shí)的炮口制退力、后坐阻力、慣性力(矩)和沖擊碰撞力等，同時(shí)，身管內(nèi)壁伴隨著承受高溫、燒蝕作用和沖擊振動(dòng)。因此，其設(shè)計(jì)既要根據(jù)膛內(nèi)火藥氣體作用條件，確定身管的外形、內(nèi)膛(含藥室、坡膛和膛線)等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，更要根據(jù)壓力、沖擊和溫度等優(yōu)化身管的厚度、剛度和強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，身管的設(shè)計(jì)已經(jīng)積累了大量成熟的經(jīng)驗(yàn)、方法和數(shù)據(jù)，能夠?yàn)楦鞣N身管設(shè)計(jì)提供有效的技術(shù)支撐。

身管設(shè)計(jì)需要多次迭代及優(yōu)化以獲得工程最佳的結(jié)果。傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)側(cè)重于幾何的實(shí)體表達(dá)，不僅建模過(guò)程繁瑣，在模型的參數(shù)化、通用化和重用性上均存在較大的困難，而且難以與必要的仿真分析結(jié)構(gòu)緊密相連。模板化設(shè)計(jì)是將設(shè)計(jì)對(duì)象的相關(guān)參數(shù)與一定的設(shè)計(jì)條件相關(guān)聯(lián)，封裝相應(yīng)的知識(shí)、參數(shù)和算法等，并且按照一定的流程進(jìn)行固化，使設(shè)計(jì)人員只需輸入關(guān)鍵參數(shù)就可以快速形成優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量又提高了效率，是進(jìn)行初始原型設(shè)計(jì)的有效手段[1-2]。

1 身管設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的藥筒定裝藥式身管設(shè)計(jì)[3-4]流程如圖1所示。

從圖1中可以看出，傳統(tǒng)的藥筒定裝藥式身管設(shè)計(jì)在外彈道設(shè)計(jì)完成后，需經(jīng)過(guò)藥室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、身管強(qiáng)度設(shè)計(jì)和身管內(nèi)膛設(shè)計(jì)3個(gè)過(guò)程。其中，身管藥室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足內(nèi)、外彈道對(duì)身管提出的各個(gè)參量(如口徑、彈丸行程、藥室容積、膛線等)的要求以及合理的炮膛結(jié)構(gòu)；身管外形設(shè)計(jì)主要考慮身管與炮閂、炮尾、搖架等的匹配，同反后坐裝置的連接以及對(duì)炮身質(zhì)量、質(zhì)心的要求等；身管剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)采用工程力學(xué)方法研究身管強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)等特性。這3個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程需要通過(guò)多次迭代、重復(fù)才能得到滿足設(shè)計(jì)要求的身管設(shè)計(jì)方案。

由此可見(jiàn)：傳統(tǒng)的藥筒定裝藥式身管設(shè)計(jì)方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力；上一次設(shè)計(jì)循環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)在一次設(shè)計(jì)循環(huán)中要重新輸入和建立；身管設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立分散，設(shè)計(jì)使用的軟件和計(jì)算工具不通用，沒(méi)有把整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程統(tǒng)一在一個(gè)環(huán)境下，不能適應(yīng)現(xiàn)代火炮身管數(shù)字化設(shè)計(jì)的要求。

針對(duì)上述火炮身管的設(shè)計(jì)過(guò)程和特點(diǎn)，為提高設(shè)計(jì)效率，需通過(guò)研究身管結(jié)構(gòu)的典型特征、參數(shù)提取與參數(shù)化建模、相關(guān)設(shè)計(jì)知識(shí)的梳理，確定參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及身管三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與多學(xué)科仿真分析交互迭代的流程，采用先進(jìn)的Flexware軟件工具，建立參數(shù)化、流程自動(dòng)化的身管設(shè)計(jì)模板。

2 Flexware開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介

Flexware是一個(gè)集成的軟件工具，可以將許多商用軟件、CAD模型、腳本等封裝成為一個(gè)模板，并將主流軟件UI界定的功能拓寬到API界定的功能，使其基礎(chǔ)類庫(kù)API成為Flexware應(yīng)用的可編程資源；也可以將專用程序封裝形成算法模板，并提供用戶自構(gòu)建業(yè)務(wù)系統(tǒng)的能力，如用戶自定義邏輯流等。在制作模板的過(guò)程中還提供了提取參數(shù)、定制表單、創(chuàng)建流程等功能。Flexware的功能如圖2所示。

3 基于Flexware的身管模板化設(shè)計(jì)

3.1 知識(shí)梳理和參數(shù)提取

首先，依據(jù)火炮身管的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論，梳理出身管設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)。身管的設(shè)計(jì)參數(shù)中不僅有結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)還包括影響身管強(qiáng)度設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能參數(shù)，例如身管材料各項(xiàng)系數(shù)、安全系數(shù)、強(qiáng)度極限、膛壓和身管壽命等。表1為單筒身管設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 身管設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 參數(shù)化建模

參數(shù)化建模是指用參數(shù)表達(dá)式來(lái)表示產(chǎn)品的尺寸關(guān)聯(lián)和屬性，通過(guò)修改零件的特定參數(shù)，達(dá)到快速修改設(shè)計(jì)模型或衍生出相同的幾何形狀及不同幾何尺寸的同類模型。

根據(jù)知識(shí)梳理提取得身管設(shè)計(jì)參數(shù)，在UG環(huán)境下應(yīng)用UG/Open二次開(kāi)發(fā)工具建立身管的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。并根據(jù)身管藥室、坡膛和膛線等結(jié)構(gòu)特征確定各個(gè)部分尺寸相互驅(qū)動(dòng)方案，如身管藥室的容積取決于內(nèi)彈道設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)形式和尺寸則取決于彈丸的裝填方式和彈丸外形尺寸；坡膛的幾何結(jié)構(gòu)通常為一截圓錐，將圓錐2個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為關(guān)聯(lián)參數(shù)即可驅(qū)動(dòng)坡膛部分的幾何尺寸變更。

之后利用MenuScript菜單定制功能及UIStyle用戶界面編輯器，以身管設(shè)計(jì)的基本參數(shù)生成用戶化的對(duì)話框。通過(guò)UG主菜單和快速?gòu)棾鍪较吕藛?，修改?duì)話框里身管基本參數(shù)來(lái)獲取不同的身管模型。

3.3 參數(shù)關(guān)聯(lián)

身管模板化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)不僅需要將設(shè)計(jì)過(guò)程中的參數(shù)化幾何零件和自研計(jì)算程序以模板的方式進(jìn)行封裝，還能對(duì)模板之間的輸入輸出參數(shù)進(jìn)行提取和定義，通過(guò)建立模板之間參數(shù)的輸入和輸出關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的關(guān)聯(lián)。表2是身管設(shè)計(jì)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

表2 參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

3.4 封裝

3.4.1 內(nèi)彈道計(jì)算程序封裝

內(nèi)彈道計(jì)算程序是根據(jù)內(nèi)彈道理論建立的數(shù)學(xué)模型，用C或Fortrun計(jì)算機(jī)語(yǔ)言自編的計(jì)算軟件。它將炮膛結(jié)構(gòu)諸元和裝藥條件與射擊結(jié)果聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)軟件程序計(jì)算得到身管膛內(nèi)的p-t、p-l、v-t、v-l關(guān)系數(shù)據(jù)曲線。應(yīng)用Flexware將該計(jì)算程序封裝，以內(nèi)彈道已知參數(shù)為輸入量，將膛內(nèi)火藥氣體壓力列為輸出量，此參數(shù)傳遞給下游身管強(qiáng)度設(shè)計(jì)，且膛內(nèi)火藥氣體壓力是決定身管材料和壁厚的基本依據(jù)。

3.4.2 強(qiáng)度理論計(jì)算程序封裝

火炮身管強(qiáng)度設(shè)計(jì)大都采用高低溫壓力曲線作為依據(jù)。傳統(tǒng)的方法是利用內(nèi)彈道計(jì)算程序，分別計(jì)算出藥溫50℃、15℃、-40℃時(shí)的膛壓曲線，然后取其包絡(luò)形成高低溫壓力曲線。模板化設(shè)計(jì)則是依據(jù)上游封裝的內(nèi)彈道計(jì)算模塊輸出的內(nèi)彈道壓力表得出50℃、15℃、-40℃時(shí)的身管設(shè)計(jì)壓力曲線，用M語(yǔ)言編程擬合出身管最大壓力曲線即高低溫壓力曲線。用Flexware軟件對(duì)此計(jì)算程序進(jìn)行封裝，將內(nèi)彈道組件輸出的膛內(nèi)火藥氣體壓力表列為輸入量，編程計(jì)算出的高低溫壓力曲線列為輸出量。

3.4.3 強(qiáng)度校核組件封裝

身管材料及膛線各參量確定后，還要校核膛線的強(qiáng)度。校核膛線時(shí)，采用第三強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力計(jì)算膛線強(qiáng)度。設(shè)計(jì)人員只要輸入所選用身管材料的比例極限、膛線的結(jié)構(gòu)參量(膛線深、陽(yáng)線寬、炮膛截面面積、彈帶平均寬度)、危險(xiǎn)截面參數(shù)及彈丸質(zhì)量就能進(jìn)行膛線的強(qiáng)度校核。

3.4.4 UG實(shí)體類模型封裝

所謂實(shí)體類型模板，即將參數(shù)化建模的身管實(shí)體模型文件的參數(shù)用Flexware進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模型的有效復(fù)用，并實(shí)現(xiàn)這些模型之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)和這些模型與其他類型模板(如封裝程序模板)之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)。實(shí)體類型模板執(zhí)行時(shí)，設(shè)計(jì)人員只需要通過(guò)模板的交互界面輸入?yún)?shù)，F(xiàn)lexware通過(guò)其解析機(jī)制根據(jù)輸入?yún)?shù)解析實(shí)體模型的對(duì)應(yīng)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)實(shí)體模型進(jìn)行參數(shù)更新，并在UG中生成相應(yīng)模型如圖3所示。

3.5 流程固化

火炮身管的快速設(shè)計(jì)模板需要能夠通過(guò)流程建立模板之間的關(guān)聯(lián)、整合設(shè)計(jì)步驟，將已有模板組合成設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)流程固化。在創(chuàng)建設(shè)計(jì)流程的同時(shí)，定義流程中模板之間的參數(shù)傳遞關(guān)系。圖4是基于身管設(shè)計(jì)流程建立的復(fù)雜流程模板，在流程執(zhí)行過(guò)程中，模板之間的參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)傳遞。單個(gè)設(shè)計(jì)模板可以看作流程模板的特例能夠單獨(dú)執(zhí)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將模板化的思想與Flexware軟件本身對(duì)商業(yè)軟件的封裝功能結(jié)合起來(lái)綜合運(yùn)用于身管設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)知識(shí)的提取、流程的梳理及封裝各類模板將整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程整合在一個(gè)環(huán)境下，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中各個(gè)工作環(huán)節(jié)孤立、重復(fù)性勞動(dòng)較多的問(wèn)題，提高了身管設(shè)計(jì)的智能性和對(duì)設(shè)計(jì)人員的輔助功能。

應(yīng)用模板化設(shè)計(jì)[5-6]思想與技術(shù)，可以將一些工作中非常繁瑣但是存在規(guī)律性的工作，通過(guò)總結(jié)其規(guī)律并將其固化成流程的方式來(lái)簡(jiǎn)化工作，實(shí)現(xiàn)相關(guān)知識(shí)的有效復(fù)用，進(jìn)而幫助形成快速設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的能力。

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