基于UG/WAVE的大口徑艦炮結(jié)構(gòu)自頂向下設(shè)計(jì)方法

姚　忠,夏方超

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng)　712099)

?

基于UG/WAVE的大口徑艦炮結(jié)構(gòu)自頂向下設(shè)計(jì)方法

姚忠,夏方超

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng)712099)

針對(duì)大口徑艦炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將自頂向下設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于大口徑艦炮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。按大口徑艦炮彈藥裝填路徑和揚(yáng)供彈方式的不同，對(duì)大口徑艦炮進(jìn)行了類(lèi)別劃分。以復(fù)合裝填大口徑艦炮為設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)行大口徑艦炮結(jié)構(gòu)自頂向下設(shè)計(jì)研究。建立了某復(fù)合裝填大口徑艦炮的頂層骨架模型和參數(shù)化實(shí)體模型。該設(shè)計(jì)方法能夠有效實(shí)現(xiàn)大口徑艦炮定量化、參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高火炮工程設(shè)計(jì)效率有一定的參考價(jià)值。

大口徑艦炮；自頂向下；UG/WAVE；骨架模型；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大口徑艦炮是水面艦艇遂行對(duì)岸火力支持和對(duì)海精確打擊任務(wù)的主要裝備。在大口徑艦炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法僅將總體參數(shù)作為總體結(jié)構(gòu)和部件設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，設(shè)計(jì)效率低[1]。大口徑艦炮總體結(jié)構(gòu)、零部件模塊劃分清晰，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，有利于實(shí)現(xiàn)總體參數(shù)對(duì)艦炮總體結(jié)構(gòu)和零部件的全過(guò)程參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高火炮工程設(shè)計(jì)效率有一定的參考價(jià)值。

1　自頂向下設(shè)計(jì)方法

自頂向下設(shè)計(jì)是一種通過(guò)建立頂層設(shè)計(jì)規(guī)劃，并將該規(guī)劃逐級(jí)向下傳遞，作為下級(jí)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)定義總體與部件間的相互關(guān)聯(lián)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)總體與部件、部件與部件的參數(shù)關(guān)聯(lián)[2]。在大口徑艦炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用自頂向下設(shè)計(jì)方法，首先應(yīng)明確艦炮總體與部件間的結(jié)構(gòu)參數(shù)、配合約束和接口關(guān)系，然后采用骨架模型來(lái)描述總體方案中的總體與部件、部件與部件間的構(gòu)成關(guān)系。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)這種關(guān)系在各級(jí)部件或零件中的傳遞，構(gòu)建了所有零部件與總體的根本聯(lián)系，反映了部件裝配關(guān)系和接口關(guān)系。自頂向下設(shè)計(jì)方法更符合現(xiàn)代艦炮的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)師的思維過(guò)程，便于實(shí)現(xiàn)多模塊的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，提高大口徑艦炮設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

2　UG/WAVE和骨架模型

2.1UG/WAVE技術(shù)

WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是UG NX中實(shí)現(xiàn)自頂向下設(shè)計(jì)的重要工具，其采用關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體的方法來(lái)控制總體結(jié)構(gòu)，提供了設(shè)計(jì)中所需要的自頂向下設(shè)計(jì)環(huán)境。在WAVE設(shè)計(jì)環(huán)境中，須首先明確影響驅(qū)動(dòng)變化的總體變量，部件的設(shè)計(jì)與這些變量相關(guān)，總體變量的更改將自動(dòng)更新相關(guān)的部件結(jié)構(gòu)[3]。總體變量既可以是數(shù)值變量，也可以是一條樣條曲線(xiàn)或空間曲面的廣義幾何變量，無(wú)論數(shù)值變化還是形狀變化都將自動(dòng)根據(jù)WAVE的控制傳遞到相關(guān)的子部件和零件設(shè)計(jì)中去，并貫穿于從總體設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段。

2.2骨架模型

在設(shè)計(jì)的最初階段，按照最基本功能和設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)頂層構(gòu)筑一個(gè)頂層基本骨架稱(chēng)之為骨架模型。骨架模型主要包括：基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面、空間點(diǎn)、空間線(xiàn)、空間面或者是產(chǎn)品的點(diǎn)、輪廓線(xiàn)及輪廓面。骨架模型作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三維空間規(guī)劃，可用來(lái)描述部件空間需求、重要的安裝位置或運(yùn)動(dòng)，也可用來(lái)在模塊間共享設(shè)計(jì)信息。

骨架模型增強(qiáng)了零部件在裝配體中的相互關(guān)聯(lián)性和依賴(lài)性，適合大型裝配設(shè)計(jì)的管理，整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及其更改都可以通過(guò)頂層裝配的骨架模型進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，子部件模型遵循大組件所賦予的設(shè)計(jì)空間和限制，由上往下層層負(fù)責(zé)，全面關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)骨架模型的自頂向下結(jié)構(gòu)控制。

3　大口徑艦炮類(lèi)別劃分

目前大口徑艦炮主要是按口徑劃分，該劃分方法并不能準(zhǔn)確反映艦炮結(jié)構(gòu)原理差異。進(jìn)行大口徑艦炮自頂向下設(shè)計(jì)，首先應(yīng)對(duì)大口徑艦炮進(jìn)行合理的類(lèi)別劃分。按大口徑艦炮彈藥裝填路徑和揚(yáng)供彈方式的劃分，可準(zhǔn)確反映大口徑艦炮的結(jié)構(gòu)差異，有利于自頂向下設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率[4]。筆者按大口徑艦炮彈藥裝填路徑和揚(yáng)供彈方式的不同將大口徑艦炮進(jìn)行了劃分，如圖1所示。筆者僅對(duì)復(fù)合裝填大口徑艦炮設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)例研究，其他結(jié)構(gòu)原理艦炮設(shè)計(jì)方法類(lèi)似。

4　復(fù)合裝填大口徑艦炮自頂向下設(shè)計(jì)

4.1模塊劃分

模塊劃分明確了復(fù)合裝填大口徑艦炮總體結(jié)構(gòu)組成，確定了各組成部件的參數(shù)和基準(zhǔn)[5]。復(fù)合裝填大口徑艦炮模塊劃分如圖2所示，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建艦炮總體拓?fù)潢P(guān)系。

4.2拓?fù)潢P(guān)系

頂層骨架模型中所包含的設(shè)計(jì)信息將通過(guò)UG/WAVE技術(shù)按照劃分好的模塊傳遞到部件層和子部件層，以進(jìn)行下一級(jí)的零部件設(shè)計(jì)。圖3為復(fù)合裝填大口徑艦炮的拓?fù)潢P(guān)系圖，圖中給出了大口徑艦炮頂層骨架模型和部件、子部件骨架模型間的拓?fù)潢P(guān)系。當(dāng)頂層骨架模型不能滿(mǎn)足部件、子部件的建模需求時(shí)，下層件骨架模型可在頂層骨架模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行基準(zhǔn)增加，但無(wú)權(quán)更改上層骨架模型中的基準(zhǔn)。

4.3總體基準(zhǔn)框架建立

總體基準(zhǔn)是建立頂層骨架模型的基礎(chǔ)，根據(jù)復(fù)合裝填大口徑艦炮的總體設(shè)計(jì)方案，確定其總體基準(zhǔn)如表1所示。

表1　總體基準(zhǔn)表

由確定的總體基準(zhǔn)可建立起復(fù)合裝填大口徑艦炮的總體基準(zhǔn)框架，如圖4所示。

4.4總體參數(shù)確定

總體基準(zhǔn)框架建立完成后，創(chuàng)建艦炮頂層骨架模型還需確定艦炮總體參數(shù)，根據(jù)復(fù)合裝填大口徑艦炮的總體設(shè)計(jì)方案，確定其總體參數(shù)如表2和圖5所示。

表2　總體參數(shù)表

4.5頂層骨架模型創(chuàng)建

在建立的總體基準(zhǔn)框架基礎(chǔ)上，采用簡(jiǎn)單幾何實(shí)體創(chuàng)建復(fù)合裝填大口徑艦炮頂層骨架模型[6]，如圖6所示。頂層骨架模型中包含了大口徑艦炮的總體基準(zhǔn)、總體參數(shù)、輪廓線(xiàn)、輪廓面和拓?fù)潢P(guān)系等。通過(guò)總體參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)頂層骨架模型中所有基準(zhǔn)和輪廓線(xiàn)、輪廓面的參數(shù)化控制。

4.6參數(shù)化實(shí)體模型建立

在完成復(fù)合裝填大口徑艦炮各部件和子部件參數(shù)化實(shí)體模型建立后，利用UG/WAVE的裝配技術(shù)進(jìn)行艦炮總體參數(shù)化裝配。由于各部件的裝配位置均相對(duì)于同一個(gè)頂層骨架模型，擁有相同的參考系，因此各部件無(wú)需定義裝配關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)部件間的精確定位和安裝[7]，裝配完成的復(fù)合裝填大口徑艦炮參數(shù)化實(shí)體模型如圖7所示。

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大口徑艦炮存在的結(jié)構(gòu)差異，對(duì)大口徑艦炮按彈藥裝填路徑和揚(yáng)供彈方式進(jìn)行了類(lèi)別劃分。采用自頂向下設(shè)計(jì)方法、UG/WAVE技術(shù)，對(duì)復(fù)合裝填大口徑艦炮的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，創(chuàng)建了復(fù)合裝填大口徑艦炮參數(shù)化實(shí)體模型，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性。該設(shè)計(jì)方法可有效提高新一代大口徑艦炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。

References)

[1]狄長(zhǎng)春,陳永才,王興貴,等. 火炮總體結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)械,2002,29(2): 17-18.

DI Changchun, CHEN Yongcai, WANG Xinggui, et al. Study on artillery whole structure parametric design[J]. Machine, 2002,29(2): 17-18. (in Chinese)

[2]劉釗,付亮,何玉玲. Pro/E自頂向下方法在復(fù)雜機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2011, 27(5):18-24.

LIU Zhao, FU Liang, HE Yuling. Application of top-down method in complex mechanical design based on Pro/E[J]. Machine Design and Research, 2011,27(5): 18-24. (in Chinese)

[3]胡祝昌,蘇鐵熊,王軍,等. 基于UG/WAVE的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011(3): 55-59.

HU Zhuchang, SU Tiexiong, WANG Jun, et al. Relevant parametric design for engine crankshaft based on UG/WAVE[J]. Mechanical Engineering & Automation, 2011(3): 55-59. (in Chinese)

[4]劉舟. 艦炮武器系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2005.

LIU Zhou. Research on the structure of shipboard artillery system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2005. (in Chinese)

[5]石晨光. 艦炮結(jié)構(gòu)組成規(guī)范研究[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2014,35(2):92-96.

SHI Chenguang. Study on structural composition norm of naval gun[J].Journal of Gun Launch & Control, 2014, 35(2): 92-96. (in Chinese)

[6]邱會(huì)朋. UG NX 8.0數(shù)字樣機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

QIU Huipeng. UG NX 8.0 digital prototyping techniques and application[M]. Beijing: China Machine Press, 2012. (in Chinese)

[7]張華鋒. 支持自頂向下設(shè)計(jì)方法與裝配模型的產(chǎn)品裝配建模系統(tǒng)研究[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2002.

ZHANG Huafeng.System support products assembly mode-ling top-down design methodology and assembly models[D]. Changsha: Hunan University, 2002. (in Chinese)

Top-down Structural Design Method of Large-caliber Naval Gun Based on UG/WAVE

YAO Zhong，XIA Fangchao

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

A top-down design method was applied to design the structure of large-caliber naval gun in accordance with the structural feature of large-caliber naval gun. Based on the analysis of structure differences, large-caliber naval guns were classified according to ammunition loading paths and laun-ching-feeding. Taken the complex loading large-caliber naval gun for example, the skeleton and parametric solid models were established according to the top-down design method. The method can effectively achieve quantitative, parametric design of large-caliber naval gun, and also has a measure of reference value in improving the efficiency of artillery engineering design.

large-caliber naval gun;top-down; UG/WAVE; skeleton model; structural design

2015-05-29

姚忠(1965—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事艦炮總體技術(shù)研究。E-mail：xidianxfc@126.com

TJ302

A

1673-6524(2016)01-0065-04