輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺研究與開發(fā)*

魏志芳，李 丹

(1中北大學機電工程學院，太原 030051;2中國兵器工業(yè)第208研究所，北京 102202)

0 引言

輕武器彈藥的整個設計過程一般分為3個階段:戰(zhàn)術技術論證階段，彈丸方案及技術設計階段，試驗、試制與鑒定定型階段。由于彈頭價廉，加工時間短，輕武器彈藥“畫加打”的設計方法非常普遍。基于提高殺傷效能的全彈道優(yōu)化設計方法就是要從根本上改變這種設計方法，以理論計算為主、試驗驗證為輔，減少彈頭的加工和試驗量，加快研制進度。為此，首次研究建立一個簡便、實用的集成平臺——輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺[1－2]，集彈頭結構參數(shù)化設計、全彈道計算、殺傷效能評估與優(yōu)化設計、設計資料管理與維護、應用工具等為一體，為輕武器彈藥設計人員提供便捷、統(tǒng)一的設計環(huán)境。

1 平臺總體設計

構建集成設計平臺一般有兩種解決方案[1－2]:一是采用商業(yè)集成平臺，如 Isight、AML、ModelCenter等;二是采用自研軟件平臺。文中充分結合輕武器產(chǎn)品設計的實際情況，考慮用戶的使用需求，詳細分析了平臺的功能需求、性能需求與系統(tǒng)運行環(huán)境需求等，在此基礎上完成了平臺的總體設計。

輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺在集成環(huán)境下，以CAD軟件和專業(yè)計算模塊作為基本設計工具，在數(shù)據(jù)庫等資源的支撐下，實現(xiàn)“全彈道計算、殺傷效能評估與優(yōu)化設計”。平臺總體構架[3－4]如圖1所示，平臺功能結構如圖2所示。

圖1 輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺總體架構

圖2 輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺功能結構

集成三維CAD軟件目前比較流行的是內部開發(fā)模式，即通過生成DLL文件，使平臺以插件的形式被三維CAD軟件加載并利用。根據(jù)輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺的總體架構，彈頭參數(shù)化設計模塊需集成在平臺環(huán)境中被用戶調用，故選用三維CAD軟件的異步開發(fā)模式，這種開發(fā)方式極少有應用，這也是文中需要突破的關鍵技術之一。

2 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫是“輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺”的底層結構，主要功能是對平臺各功能模塊提供數(shù)據(jù)支撐[5]，并供設計人員在平臺環(huán)境下查詢與瀏覽槍彈的結構、材料、配套武器、發(fā)射藥、內外彈道性能等復雜參數(shù)信息，提高彈藥設計效率。按照大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計過程，進行了數(shù)據(jù)庫需求分析、數(shù)據(jù)庫概念結構設計、數(shù)據(jù)庫邏輯結構設計、數(shù)據(jù)庫的安全設計等。平臺以SQL Server 2005作為數(shù)據(jù)庫管理軟件，采用Visual C++6.0作為開發(fā)工具。

2.1 數(shù)據(jù)庫功能分析

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能框架如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能框架

底層數(shù)據(jù)庫為整個平臺系統(tǒng)提供了以下3類功能:

1)對CAD參數(shù)化設計模塊的數(shù)據(jù)庫訪問支持。按照設計要求，通過數(shù)據(jù)庫接口支持層，參數(shù)化設計模塊從數(shù)據(jù)庫中檢入彈頭模型并進行參數(shù)化設計和結構特征量獲取。若設計模型達到了設計要求，可將新彈頭模型保存到數(shù)據(jù)庫中以備查詢。

2)對各專業(yè)程序功能模塊的數(shù)據(jù)庫訪問支持。在各專業(yè)程序功能模塊初始化時，數(shù)據(jù)庫接口支持層以文件或者直接賦值的方式提供給各模塊所需的設計參數(shù)，包括:彈頭結構特征信息、火藥參數(shù)信息、槍膛參數(shù)信息、材料信息、內外彈道參數(shù)信息等。各模塊還可以根據(jù)需要靈活的從數(shù)據(jù)庫中取出相應參數(shù)。

3)設計資料瀏覽與檢索。平臺以目錄樹和條件查詢的形式為用戶提供信息檢索功能，設計人員既可以通過點擊平臺提供的目錄樹形式實現(xiàn)制式彈、火藥等的分類查詢，又可以通過鍵盤輸入指定的查詢條件實現(xiàn)系統(tǒng)提供的多條件查詢功能，快速檢索自己關心的信息。

圖4 實體間關系E-R圖

2.2 數(shù)據(jù)庫E-R模型

根據(jù)平臺數(shù)據(jù)庫需求分析，確定了各數(shù)據(jù)庫實體，由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)框架的復雜性，只給出實體間關系的E-R圖，如圖4所示。

3 輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺設計與實現(xiàn)

輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺基于集成框架，強調各自編軟件、外掛商業(yè)軟件的自動協(xié)調工作，使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫進行各類數(shù)據(jù)的管理。系統(tǒng)集成框架主要完成以下工作:為設計人員提供統(tǒng)一的工作環(huán)境、數(shù)據(jù)實時管理、數(shù)據(jù)流管理、結果數(shù)據(jù)實時提取和存儲、系統(tǒng)功能擴展等。

圖5 輕武器彈藥全彈道優(yōu)化設計流程

3.1 輕武器殺傷效能優(yōu)化設計流程控制與管理

輕武器彈藥全彈道優(yōu)化設計流程如圖5所示，提供了對從彈藥結構模型創(chuàng)建到獲得優(yōu)化方案的整個優(yōu)化設計過程的支持，這也是輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺與其他平臺的區(qū)別之一。針對全彈道計算流程，采用應用程序封裝技術，梳理各計算模塊輸入輸出關系，統(tǒng)一采用數(shù)據(jù)文件的形式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，約定各程序輸入輸出文件名稱與格式，應用文本解析與重構技術對數(shù)據(jù)的來源和去向進行分流，實時管理每一個設計計算步驟所生成的設計 /計算結果數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各計算程序之間計算參數(shù)的自動抽取及傳遞[6]。

3.2 專業(yè)應用程序的封裝與集成技術

平臺對各類自編的計算程序及商業(yè)CAD軟件進行了封裝。統(tǒng)一了編程語言，規(guī)范了運行環(huán)境，設計了統(tǒng)一的輸入輸出模式，約定了輸入輸出文件格式，設計了統(tǒng)一的界面風格。

1)應用程序統(tǒng)一為“.exe”執(zhí)行文件格式，運行在Windows環(huán)境下;

2)應用程序統(tǒng)一使用C語言編寫;

3)應用程序統(tǒng)一采用文件輸入輸出模式;

4)約定各應用程序輸入輸出文件名稱及格式;

5)設計統(tǒng)一的程序界面。

平臺提供了相應的集成接口，實現(xiàn)了專業(yè)程序的驅動調用及數(shù)據(jù)自動流轉。

3.3 參數(shù)化設計模塊集成技術

SolidWorks的二次開發(fā)支持COM和OLE兩種技術。COM技術是生成動態(tài)鏈接庫(DLL)文件，以插件的形式被SolidWorks加載并利用，稱為內部開發(fā)模式，是目前比較流行的開發(fā)方式。OLE技術，即對象的嵌入與鏈接技術，是生成可執(zhí)行文件(.exe)，獨立于SolidWorks平臺運行，稱為外部開發(fā)模式，這種開發(fā)方式極少有應用。這是一種異步開發(fā)模式，SolidWorks軟件在后臺運行，應用生成的.exe文件調用SolidWorks的軟件功能，適合集成在其他程序中，作為第三方軟件被調用的情況。

由于彈頭參數(shù)化設計模塊需集成在“輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺”環(huán)境中被用戶調用，故選用SolidWorks的異步開發(fā)模式。這也是平臺的主要創(chuàng)新點。

在Visual C++6.0中，使用 MFC AppWizard(exe)生成基于對話框的應用程序;通過在應用程序MFC Class Wizard中導入SolidWorks安裝目錄下的SldWorks.tlb文件實現(xiàn)應用程序和SolidWorks應用程序中函數(shù)和數(shù)據(jù)的共享;在對話框應用程序的.CPP和.h文件中添加SolidWorks的庫文件，即可以實現(xiàn)平臺和SolidWorks的異步調用過程。

3.4 數(shù)據(jù)庫接口設計

數(shù)據(jù)庫對平臺各功能模塊提供數(shù)據(jù)支撐，通過開發(fā)各功能模塊和平臺數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)接口，能夠對最終數(shù)據(jù)庫的相應數(shù)據(jù)進行正確析取。

3.5 平臺實現(xiàn)與應用

平臺以SQL Server 2005作為數(shù)據(jù)庫管理軟件，采用Visual C++6.0作為開發(fā)工具，通過ODBC訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，給設計人員提供了一個集彈頭結構參數(shù)化設計、全彈道計算、殺傷效能評估與優(yōu)化、設計過程管理等功能于一體的全彈道優(yōu)化設計平臺。其中，調用彈頭參數(shù)化設計模塊實現(xiàn)有鋼心手槍彈參數(shù)化設計功能如圖6和圖7所示。

圖6 選擇數(shù)據(jù)庫制式彈模板

圖7 有鋼心手槍彈參數(shù)化設計界面

4 結論

“輕武器殺傷效能優(yōu)化設計平臺”，實現(xiàn)了以下功能:

1)系統(tǒng)集成功能。實現(xiàn)了包括外掛CAD軟件、彈頭強度校核、內彈道計算、氣動力計算、外彈道計算、飛行穩(wěn)定性計算、殺傷效能評估、殺傷效能優(yōu)化設計等功能模塊在內的系統(tǒng)信息集成。

2)流程控制與管理功能。通過對全彈道優(yōu)化設計流程中的每一過程參數(shù)的關聯(lián)、數(shù)據(jù)傳遞和分析，實現(xiàn)設計流程的自動運行、幾何模型預覽、分析仿真結果的可視化。

3)彈頭結構參數(shù)化設計功能。在集成環(huán)境下，實現(xiàn)彈頭結構的參數(shù)化設計，自動計算和獲取殺傷元模型結構參數(shù)，并實現(xiàn)與分析計算程序的數(shù)據(jù)集成。

4)平臺數(shù)據(jù)庫環(huán)境支撐功能。實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫對各功能模塊的數(shù)據(jù)支撐作用，便于設計人員隨時進行設計資料的調用、查詢與瀏覽，提高了彈藥設計效率。

5)系統(tǒng)安全管理。平臺采取注冊碼授權方式安裝運行，并提供了數(shù)據(jù)備份與恢復功能。

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