榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)技術(shù)研究

康輝，曹紅松，劉鵬飛，劉恒著，李仁禧

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.重慶長江電工工業(yè)集團有限公司，重慶 401336)

榴彈是構(gòu)成火炮彈藥的基本彈種，主要用于殺傷敵人有生力量，摧毀敵人防御工事、武器裝備和其他軍事設(shè)施[1]。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，榴彈的戰(zhàn)技要求變得更加具體化和多樣化，榴彈的設(shè)計要迅速滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求[2]。榴彈研制是一個反復(fù)試探性的過程，每一個階段不滿足要求都要重新進行結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計，榴彈結(jié)構(gòu)設(shè)計在榴彈設(shè)計過程中具有重要地位[3]。

目前，國內(nèi)對于榴彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計有了一定的研究。劉松健等采用批處理模式的UG二次開發(fā)方法調(diào)用UG完成三維模型的建立，實現(xiàn)了對多個部件的快速操作[4]。陳柏旭等提出了殺爆彈特征劃分方法，通過調(diào)用UG/OPEN API里的函數(shù)實現(xiàn)了殺爆彈的建模[5]。但是上述文獻中沒有涉及到榴彈的結(jié)構(gòu)特征數(shù)和飛行穩(wěn)定性等計算；并且建模過程中通過調(diào)用UG/OPEN API函數(shù)達(dá)到建模目的，建模方法較為復(fù)雜[6-7]。

筆者通過對榴彈進行結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析，實現(xiàn)了圖形化榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)化方案設(shè)計，使用UG/OPEN API函數(shù)和Journal功能相結(jié)合的建模方法建立了榴彈的參數(shù)化模型，并且對榴彈的結(jié)構(gòu)特征數(shù)和飛行穩(wěn)定性進行了計算，對所設(shè)計榴彈的彈頭部長度、圓柱部長度、彈尾部長度及彈壁平均厚度采用DOE方法進行了多方案優(yōu)化，得到了合適的榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)方案

系統(tǒng)由C++語言在Qt 5.12.9(以下簡稱QT)和Visual Studio 2017(以下簡稱VS 2017)環(huán)境下進行開發(fā)。系統(tǒng)在QT平臺上搭建交互界面，主要有繪制二維方案圖形、三維建模、氣動預(yù)估及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化四大模塊：

1)繪制二維方案圖形是由交互界面上輸入的彈體參數(shù)進行實時響應(yīng)繪圖，將所設(shè)計的榴彈以二維方案圖的形式展現(xiàn)在交互界面上。

2)三維建模是根據(jù)榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)分別生成單個的零件模型，然后進行自動裝配，再對裝配好的榴彈模型進行材質(zhì)賦予和質(zhì)量特性分析。

3)氣動預(yù)估是通過將榴彈特征參數(shù)進行工程計算，得到氣動預(yù)估結(jié)果。

4)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是通過DOE方法得到合適的榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足榴彈的結(jié)構(gòu)特征數(shù)和飛行穩(wěn)定性條件。

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)有4層體系結(jié)構(gòu)，包括用戶層、交互層、數(shù)據(jù)層及驅(qū)動層。系統(tǒng)體系框架如圖1所示。

1)用戶層面向榴彈設(shè)計過程中的系統(tǒng)操作人員，通過可視化界面調(diào)用系統(tǒng)功能來完成設(shè)計。

2)交互層由繪制二維方案圖形、三維建模、模型預(yù)覽、材質(zhì)賦予、質(zhì)量特性分析、榴彈氣動預(yù)估、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等多個功能模塊組成。

3)數(shù)據(jù)層是由數(shù)據(jù)文件組成，存儲了榴彈設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)、模型材質(zhì)參數(shù)、質(zhì)量特性分析結(jié)果、氣動參數(shù)預(yù)估結(jié)果、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果等數(shù)據(jù)，并管理設(shè)計過程中的設(shè)計參數(shù)、任務(wù)文件。后期還可以在前期保存工程的基礎(chǔ)上進行再設(shè)計。系統(tǒng)各功能模塊通過各種數(shù)據(jù)接口對相關(guān)數(shù)據(jù)文件進行交換和傳輸，完成設(shè)計任務(wù)。

4)驅(qū)動層是構(gòu)建和支撐整個系統(tǒng)各功能模塊開發(fā)的軟件條件。在VS 2017和QT環(huán)境下，將程序進行編譯，完成各模塊功能的實現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

榴彈參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)有以下功能：

1)二維方案圖形是由用戶在系統(tǒng)交互界面輸入彈體外形和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)參數(shù)時，榴彈的二維方案圖在系統(tǒng)界面上實時生成的。

2)三維建模分為零件建模、自動裝配和模型預(yù)覽，建立引信、彈頭部、圓柱部、彈尾部、彈帶和裝藥的模型，再自動裝配成榴彈模型，模型預(yù)覽可以查看各個零件和榴彈裝配體的三維模型以及它們的1/2和1/4剖視圖。

3)材質(zhì)賦予是給引信、彈體、彈帶和裝藥設(shè)置材料參數(shù)。

4)質(zhì)量特性分析是對榴彈裝配體進行質(zhì)量特性分析，得到全彈質(zhì)心位置、極轉(zhuǎn)動慣量及赤道轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，并將分析結(jié)果顯示在交互界面上。

5)結(jié)構(gòu)特征數(shù)計算是通過對彈丸相對質(zhì)量Cm、炸藥相對質(zhì)量Cω、炸藥裝填系數(shù)α及彈體相對壁厚λδ進行計算檢驗，判斷其是否在合理范圍內(nèi)。

6)氣動參數(shù)預(yù)估是通過工程算法完成預(yù)估，得到相關(guān)的氣動預(yù)估結(jié)果，來判斷榴彈的穩(wěn)定性。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

7)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是通過對榴彈的結(jié)構(gòu)特征數(shù)和飛行穩(wěn)定性進行計算，找到適合的結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足其條件。

1.3 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理是系統(tǒng)的底層結(jié)構(gòu)，主要功能是對系統(tǒng)各功能模塊提供數(shù)據(jù)支撐。XML(可擴展標(biāo)記語言)作為一種半結(jié)構(gòu)化語言，具有良好的信息表達(dá)功能，因此在信息交換、數(shù)據(jù)存儲及異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方面擁有廣泛的應(yīng)用前景，并成為當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)上信息交換的主要標(biāo)準(zhǔn)[8]。根據(jù)系統(tǒng)工作流程，分析各功能模塊的數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系和各功能模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，以XML文件形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、提取、查詢等功能。數(shù)據(jù)管理如圖3所示。

1.4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。

2 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

在系統(tǒng)開發(fā)的過程中涉及到的主要關(guān)鍵技術(shù)有榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)抽取、參數(shù)驅(qū)動的實時二維方案圖形構(gòu)建、三維模型的生成及裝藥模型自動生成。

2.1 榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)抽取

系統(tǒng)根據(jù)榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)，生成用于榴彈參數(shù)化建模的參數(shù)化模型參數(shù)，該參數(shù)將用于系統(tǒng)的其他模塊中。榴彈結(jié)構(gòu)由引信、彈頭部、圓柱部、彈尾部、彈帶等部分組成，榴彈的參數(shù)化模型如圖5所示。

榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)與參數(shù)化模型參數(shù)對應(yīng)如表1所示。

表1 參數(shù)化模型參數(shù)與榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)關(guān)系

榴彈彈頭部類型較多，以圓弧形母線為例，彈頭部參數(shù)化模型如圖6所示。

彈頭部的圓弧母線的坐標(biāo)(a,b)以及母線半徑ρ可由式(1)、(2)、(3)求出：

(1)

(2)

(3)

式中，m=L2+L3+L4。

2.2 參數(shù)驅(qū)動的實時二維圖形構(gòu)建

在交互界面上輸入榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)后，基于QT的QPainter類繪制出關(guān)鍵節(jié)點，連接繪制出的點生成二維方案圖形。當(dāng)交互界面上的QLineEdit(參數(shù)輸入框)參數(shù)修改后，傳遞一個editingFinished()信號給場景更新函數(shù)update()進行響應(yīng)，實時驅(qū)動二維圖像更新。

繪制二維方案圖形模塊中需要輸入的榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)部分如圖7所示。在對話框內(nèi)輸入對應(yīng)參數(shù)后，交互界面上實時更新榴彈二維方案圖，如圖8所示。

2.3 三維模型的生成

UG的Journal功能可以自動記錄交互環(huán)境下的用戶的操作，并生成相應(yīng)的VB.NET、JAVA、C#、C++代碼，隨后可以進行編輯和重放[9-10]。

榴彈三維模型的生成通過使用UG的Journal功能在建模環(huán)境中進行操作錄制，無法錄制的功能通過調(diào)用UG/OPEN API函數(shù)實現(xiàn)。例如本文中關(guān)于創(chuàng)建直線的代碼如下:

NXOpen::Line *line1;

line1=workPart->Curves()->CreateLine(startPoint1, endPoint1);

裝配榴彈的代碼如下：

NXOpen::Face*face1(dynamic_cast(component1->FindObject("PROTO#.Features|EXTRUDE(2)|FACE 140 {(60,0,25)EXTRUDE(2)}")));

NXOpen::Line *line1;

line1=workPart->Lines()->CreateFaceAxis(face1,NXOpen::SmartObject::UpdateOptionAfterModeling);

將零件建模、整體裝配、材質(zhì)賦予等功能編寫成函數(shù)發(fā)布成exe文件。榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)通過回調(diào)函數(shù)與exe文件進行關(guān)聯(lián)，完成建模、裝配、材質(zhì)賦予等任務(wù)。

2.4 裝藥模型自動生成

榴彈內(nèi)部裝藥模型是通過抽取榴彈內(nèi)壁的曲線通過旋轉(zhuǎn)命令來自動生成。如抽取曲線的命令代碼如下：

std::vectorfeatures1(1);

NXOpen::Features::SketchFeature*sketchFeature1(dynamic_cast(workPart->Features()->FindObject("SKETCH(1)")));

features1[0]= sketchFeature1;

NXOpen::CurveFeatureRule*curveFeatureRule1;

curveFeatureRule1=workPart->ScRuleFactory()->CreateRuleCurveFeature(features1);

藥柱的長度為L3+L4+L5+L6-L7、半徑為R7，生成的三維模型如圖9所示。

3 榴彈特征參數(shù)分析

3.1 榴彈質(zhì)量特性分析

在質(zhì)量特性分析模塊中，可以分析各部件的質(zhì)量，也可以分析全彈質(zhì)量、質(zhì)心位置、極轉(zhuǎn)動慣量、赤道轉(zhuǎn)動慣量等質(zhì)量特性，得到的結(jié)果參數(shù)用于榴彈結(jié)構(gòu)特征數(shù)和氣動參數(shù)計算。在設(shè)置引信、裝藥、彈體及裝藥的材質(zhì)參數(shù)后，進行質(zhì)量特性分析。圖10為質(zhì)量特性分析。

3.2 榴彈結(jié)構(gòu)特征數(shù)計算

榴彈對目標(biāo)的破壞能力隨彈丸的大小和結(jié)構(gòu)的不同而有所差異，一般通過結(jié)構(gòu)特征數(shù)的相互比較來反映不同彈丸威力的大小[11]。通過對設(shè)計的彈丸進行結(jié)構(gòu)特征數(shù)計算，判斷榴彈結(jié)構(gòu)的合理性。通常采用的結(jié)構(gòu)特征數(shù)有彈丸相對質(zhì)量Cm、炸藥相對質(zhì)量Cω、炸藥裝填系數(shù)α及彈體相對壁厚λδ：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：m為彈丸質(zhì)量(kg)；d為彈徑(dm)；ω為炸藥質(zhì)量(kg)；δ為壁厚(dm)。

榴彈結(jié)構(gòu)特征數(shù)取值范圍如表2所示。

表2 榴彈結(jié)構(gòu)特征數(shù)取值范圍

3.3 氣動參數(shù)預(yù)估

通過對榴彈進行氣動參數(shù)預(yù)估，得到阻力系數(shù)、升力系數(shù)導(dǎo)數(shù)、俯仰力矩系數(shù)導(dǎo)數(shù)等參數(shù)。根據(jù)氣動力參數(shù)計算榴彈的陀螺穩(wěn)定因子S和動態(tài)穩(wěn)定因子Sd，判斷榴彈的飛行穩(wěn)定性。氣動計算所需的彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)和質(zhì)量特性參數(shù)從數(shù)據(jù)文件中讀取。需要的飛行條件參數(shù)：馬赫數(shù)、攻角、海拔、空氣密度、空氣溫度等，如圖11所示。

陀螺穩(wěn)定因子S表示急螺穩(wěn)定性，急螺穩(wěn)定性條件為S>1；滿足動態(tài)穩(wěn)定，即Sd(2-Sd)>1/S是彈丸穩(wěn)定的充要條件。

(8)

(9)

式中：d為彈徑(dm)；C′y為升力系數(shù)導(dǎo)數(shù)；m′y為馬格努斯力矩系數(shù)導(dǎo)數(shù)；m′zz為赤道阻尼力矩系數(shù)導(dǎo)數(shù);Jx為彈丸極轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2);Jy為彈丸赤道轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2);η為火炮纏度；h為彈丸質(zhì)心至空氣阻力中心的距離(m)；kmz(M)為翻轉(zhuǎn)力矩的速度函數(shù)；g為重力加速度。

4 榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化需要飛行性能與結(jié)構(gòu)特征數(shù)達(dá)到最佳匹配，飛行性能主要基于氣動參數(shù)預(yù)估結(jié)果計算陀螺穩(wěn)定與動態(tài)穩(wěn)定因子，與裝填系數(shù)進行匹配，獲得合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。DOE方法是研究與處理多因素試驗的一種科學(xué)方法，通過設(shè)計正交表分析各種因素之間的相互作用，通過一系列的試驗確定最優(yōu)方案[12]。榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計過程采用DOE方法，找到最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿足榴彈結(jié)構(gòu)特征數(shù)和飛行穩(wěn)定性的設(shè)計要求。

4.1 試驗指標(biāo)和試驗因子

正交試驗方案以彈丸的裝填系數(shù)α作為試驗指標(biāo)，以A代表彈頭部長度、B代表圓柱部長度、C代表彈尾部長度、D代表彈壁平均厚度作為試驗因子。

4.2 試驗設(shè)計

4個試驗因子影響著榴彈的裝填系數(shù)，每個試驗因子包含3個水平，所以采用L9(34)正交試驗表進行設(shè)計試驗。

5 實例測試

針對所設(shè)計的105 mm爆破榴彈為例，圖12為105 mm爆破榴彈的三維模型。

對105 mm爆破榴彈的飛行穩(wěn)定性和裝填系數(shù)計算得S為2.4、Sd為1.23、α為7.4%。所設(shè)計的榴彈滿足飛行穩(wěn)定條件Sd(2-Sd)>1/S，但裝填系數(shù)α偏低，需要對榴彈的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，提高榴彈的裝填系數(shù)。DOE方法優(yōu)化中采用的4因子3水平的全因子實驗設(shè)計如表3所示。

表3 試驗因子水平表 mm

采用L9(34)正交試驗表設(shè)計的試驗方案如表4所示。

表4 正交試驗方案表

對以上9組試驗方案進行參數(shù)化建模并對榴彈的結(jié)構(gòu)特征數(shù)和飛行穩(wěn)定性計算，統(tǒng)計試驗結(jié)果如表5所示。

表5 試驗結(jié)果統(tǒng)計表

由于爆破榴彈側(cè)重爆破，炸藥威力大，所以選擇裝填系數(shù)較大的方案。從表5中可以發(fā)現(xiàn)，方案9的裝填系數(shù)為13.7%，相比于原設(shè)計方案的7.4%大幅提高，且榴彈滿足飛行穩(wěn)定條件，所以選擇方案9作為105 mm爆破榴彈設(shè)計方案。

6 結(jié)論

筆者在榴彈設(shè)計理論研究的基礎(chǔ)上，將參數(shù)化建模與榴彈設(shè)計相結(jié)合，設(shè)計開發(fā)出榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)總體方案闡述了榴彈參數(shù)化設(shè)計所涉及關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)方法和過程。系統(tǒng)以參數(shù)驅(qū)動實時更新榴彈二維方案圖，同時借助UG二次開發(fā)工具實現(xiàn)榴彈三維自動建模、自動裝配、質(zhì)量特性分析等功能。利用工程算法對榴彈的結(jié)構(gòu)特征數(shù)和飛行穩(wěn)定性進行計算，以此來判斷榴彈方案的合理性，并對榴彈結(jié)構(gòu)參數(shù)采用DOE方法進行優(yōu)化，選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。該系統(tǒng)的構(gòu)建為今后相關(guān)榴彈參數(shù)化設(shè)計平臺的開發(fā)和復(fù)雜模型的參數(shù)化設(shè)計提供了參考。