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《火炮發(fā)射與控制學報》2016年第2期

摘要:

為了提高大口徑艦炮反后坐裝置的設計效率，對其進行了快速設計模塊開發(fā)研究。基于裝配體三維模板的參數(shù)化程序設計思路，將設計知識和經(jīng)驗嵌入了功能模塊并用設計流程的形式表述，形成了界面化的程序計算、后坐規(guī)律圖形輸出和參數(shù)驅(qū)動一體的設計方法。通過自頂向下參數(shù)化建模、VC與Matlab混合編程、MFC界面設計，實現(xiàn)了大口徑艦炮反后坐裝置快速設計模塊的開發(fā)。以某大口徑艦炮反后坐裝置為設計實例驗證了該模塊的可行性和有效性。該模塊開發(fā)方法為火炮工程設計提供了參考。

關鍵詞:

反后坐裝置;快速設計;參數(shù)化;二次開發(fā)

反后坐裝置是火炮的重要部件，主要由復進機和制退機兩部分組成。它的功能是消耗后坐能量緩沖后坐力，并控制火炮后坐部分的后坐和復進運動規(guī)律［1］。通常，反后坐裝置的設計、分析及計算的過程相似，傳統(tǒng)設計方法需設計者按照固有設計流程開展反復設計計算和模型修改，工作量大、效率低［2］。針對反后坐裝置參數(shù)化設計主要有采用AutoCAD二次開發(fā)工具和VB集成設計［3］、基于I-DEASMas-terSeries實現(xiàn)參數(shù)化設計［4］、基于Pro/E二次開發(fā)工具和VB實現(xiàn)制退機的參數(shù)化設計［5］等方法，但這些方法均采用零件級參數(shù)化設計，裝配繁瑣，且不能保證修改后模型裝配的有效性。文獻［6］雖采用了基于裝配體的參數(shù)化設計，解決了模型反復裝配的難題，但沒有實現(xiàn)計算程序的集成。因此，筆者采用基于裝配體模板的參數(shù)化程序設計方法，集成驗證計算程序，并將設計知識和經(jīng)驗以功能模塊和流程的形式加以固化，形成了大口徑艦炮反后坐裝置快速設計模塊的開發(fā)方法，實現(xiàn)了反后坐裝置的界面化設計參數(shù)聯(lián)調(diào)、計算分析和參數(shù)驅(qū)動設計，同時解決了模型反復計算修改和裝配的難題，提高了設計效率。

1快速設計模塊架構(gòu)

1．1快速設計模塊方案

該模塊方案采用基于裝配體三維模板的參數(shù)化程序設計思路，即采用參數(shù)化程序控制三維模板來生成新模型，主要由三維模板、MFC交互設計界面和參數(shù)化設計程序三部分組成。三維模板是設計輸入母版，通過NX軟件建立;MFC交互設計界面用于接收輸入的設計參數(shù);參數(shù)化設計程序封裝了大口徑艦炮反后坐裝置的設計知識，集成了驗證計算程序，可實時計算設計參數(shù)、輸出后坐－復進規(guī)律曲線，實現(xiàn)對模板的驅(qū)動更新，從而達到快速設計目的。快速設計模塊方案如圖1所示。為了簡化設計操作，提高設計效率，快速設計模塊選擇了NX運行平臺，即整個設計工作都在NX環(huán)境下進行。因此，需要使用NX二次開發(fā)技術實現(xiàn)對該快速設計模塊功能的開發(fā)。

1．2參數(shù)化建模

NX/WAVE是采用關聯(lián)復制幾何體方法來控制總體裝配結(jié)構(gòu)，從而保證整個裝配和零部件的參數(shù)關聯(lián)性，適合于自頂向下的裝配體參數(shù)化模型構(gòu)建;部件間表達式功能可以建立不同組件之間的關聯(lián)關系［7－9］。根據(jù)大口徑艦炮反后坐裝置的設計要求，建立一組頂層參數(shù)化可控基準框架，對各個子零部件的空間及相對位置做出整體規(guī)劃;利用NX/WAVE技術將頂層基準框架中的基準關聯(lián)復制到下一級零部件中;通過添加幾何約束和部件間表達式，使不同組件之間相互關聯(lián)，實現(xiàn)零部件間數(shù)據(jù)的共享和傳遞，完成了大口徑艦炮反后坐裝置的裝配體參數(shù)化模板構(gòu)建。

1．3MFC交互設計界面

交互設計界面用于接收設計參數(shù)、發(fā)出操作指令和顯示設計參數(shù)值。VS2010的MFC功能模塊功能強大、設計操作簡單，可以設計出與Win7風格相同、兼容性良好的交互界面［10］。MFC交互界面的使用，可以讓設計操作變得簡單高效。這樣，設計者可以在NX環(huán)境下，只需對交互設計界面進行相關操作，便可完成大口徑艦炮反后坐裝置模板的設計參數(shù)的輸入、調(diào)整和驗證計算，以實現(xiàn)對模板的驅(qū)動設計。

1．4參數(shù)化設計程序

NX/OpenAPI(NX開放應用程序接口)，也稱UserFunction(用戶函數(shù)，簡稱UF)。UF程序分為外部模式和內(nèi)部模式，其中內(nèi)部UF可以和NX界面無縫集成，實現(xiàn)動態(tài)設計，本文參數(shù)化程序采用內(nèi)部UF，針對反后坐裝置的設計參數(shù)進行編程，實現(xiàn)設計參數(shù)的查詢、修改，根據(jù)新的參數(shù)值更新模型。為了提高反后坐裝置的驗證計算速度，采用VC與Matlab混合編程技術，將反后坐裝置驗證計算程序集成到UF主程序中，通過編譯生成可被NX直接執(zhí)行的動態(tài)鏈接庫(．dll)文件。當設計人員在MFC交互設計界面中輸入設計參數(shù)，并對其發(fā)出設計指令，UF程序?qū)⒆詣荧@取模板及其參數(shù)、編輯表達式、輸出后坐－復進運動曲線，設計者根據(jù)設計要求評判后坐－復進運動曲線優(yōu)劣，決定是否驅(qū)動模板輸出大口徑艦炮反后坐裝置模型。

2快速設計模塊

2．1快速設計模塊的功能劃分

筆者依據(jù)大口徑艦炮反后坐裝置快速設計模塊的功能實現(xiàn)方式，將其劃分為反后坐裝置參數(shù)化模板、人機交互設計界面、參數(shù)化驅(qū)動程序、后坐－復進規(guī)律判斷和結(jié)果輸出五大功能子模塊。其中參數(shù)化模板提供設計輸入模型;人機交互設計界面實現(xiàn)設計參數(shù)輸入和顯示;參數(shù)化驅(qū)動程序完成設計參數(shù)接收和模板驅(qū)動;后坐－復進規(guī)律判斷子模塊輸出制退后坐曲線并由設計者依據(jù)已有知識完成設計結(jié)果優(yōu)劣判斷;結(jié)果輸出子模塊實現(xiàn)大口徑艦炮反后坐裝置模型設計結(jié)果的輸出。

2．2快速設計模塊的實現(xiàn)

依據(jù)上述功能子模塊的劃分，該模塊開發(fā)的主要任務是進行大口徑艦炮反后坐裝置參數(shù)化模板構(gòu)建、人機交互設計界面設計和驅(qū)動程序編寫。運用反后坐裝置設計知識和設計經(jīng)驗進行大口徑艦炮反后坐裝置設計，借助裝配體參數(shù)化建模技術、MFC界面設計技術、VC與Matlab混合編程技術等進行NX二次開發(fā)，實現(xiàn)了模塊相關功能，完成了快速設計模塊開發(fā)。將這些設計知識和設計經(jīng)驗嵌入功能模塊并用流程圖表述，形成了大口徑艦炮反后坐裝置快速設計模塊的開發(fā)方法，流程如圖2所示。

3設計實例

結(jié)合某大口徑艦炮反后坐裝置設計實例進行快速設計模塊開發(fā)，復進機采用液體氣壓式結(jié)構(gòu)，制退機采用節(jié)制桿式結(jié)構(gòu)。設計條件為常溫下內(nèi)彈道數(shù)據(jù)、彈丸質(zhì)量m=35kg、后坐部分質(zhì)量mh=3800kg、無炮口制退器后坐極限長Lλmax依設計要求可在550～1000mm之間參數(shù)化控制。

3．1反后坐裝置參數(shù)梳理及模板構(gòu)建

經(jīng)初步設計確定反后坐裝置的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。性能參數(shù)有后坐部分質(zhì)量mh、后坐極限長Lλmax、最大后坐阻力FRmax、復進終了速度vλ0、后坐復進周期T。結(jié)構(gòu)參數(shù)有復進機結(jié)構(gòu)參數(shù)、制退機結(jié)構(gòu)參數(shù)、制退機溝槽參數(shù)和節(jié)制桿外形尺寸參數(shù)等。復進機的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:復進機工作長度L、復進筒內(nèi)徑Df、復進筒外徑D'f、活塞桿直徑d、活塞長度Lh及其他尺寸等。制退機的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:制退機工作長度L、制退筒內(nèi)徑DT、制退筒外徑D'T、制退桿外徑dT、制退桿內(nèi)腔直徑d1、節(jié)制環(huán)直徑dp及節(jié)制桿外形尺寸等。流液孔面積ax由節(jié)制環(huán)內(nèi)徑dp和節(jié)制桿外徑dx共同決定，節(jié)制桿的外形由15段圓錐段構(gòu)成，將Lx和dx作為可調(diào)設計參數(shù)，一起確定節(jié)制桿外形結(jié)構(gòu)，如圖5所示。以復進運動起始位置為參考點確定溝槽延伸位置x0和溝槽變淺位置x1參數(shù)，并確定溝槽深度h0、溝槽變淺處深度h1等參數(shù)。依據(jù)反后坐裝置結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，在NX中分別構(gòu)建了復進機和制退機的參數(shù)化模板。如圖6、7所示。

3．2人機交互設計界面

人機交互設計界面由氣壓式復進機設計參數(shù)區(qū)域、節(jié)制桿式制退機設計參數(shù)區(qū)域和相關命令按鈕組成。其中節(jié)制桿式制退機設計參數(shù)區(qū)域包括結(jié)構(gòu)參數(shù)區(qū)域、溝槽參數(shù)區(qū)域和節(jié)制桿外形參數(shù)區(qū)域。完成后的MFC交互式開發(fā)界面，如下圖8所示。

3．3參數(shù)化驅(qū)動

程序筆者在對復進機和制退機的結(jié)構(gòu)特點的分析基礎上，研究了后坐復進過程中后坐體運動規(guī)律和反后坐裝置各部件的受力情況，建立如下動力學分析模型：mhd2Xdt2=Fpt－FRFpt=1φ(1+ω2m)Ap，0≤t≤tgFge－t－tgb，tg＜t＜t{kFg=1φ(φ1+ω2m)ApgFR=FΦh+Ff+F+FT－mhgsinαFΦh=f(ax)v2Ff=Ff(X)(1)式中:X為后坐位移;Fpt為炮膛合力;FR為后坐阻力;φ為次要功系數(shù);ω為火藥裝藥質(zhì)量;A為導向部分的橫截面積;p為膛內(nèi)平均壓力;tg為彈丸出炮口時刻;Fg為彈丸脫離炮口瞬間炮膛合力;b為炮膛合力衰減系數(shù);tk為火藥氣體后效期結(jié)束時刻;φ1為僅考慮彈丸旋轉(zhuǎn)和摩擦兩種次要功的計算系數(shù);pg為彈丸脫離炮口時膛內(nèi)的平均壓力;FΦh為制退機力;Ff為復進機力;F為反后坐裝置密封裝置摩擦力;FT為搖架導軌上的摩擦力;α為射角;v為后坐部分運動速度;ax為流液孔面積。采用四階龍格－庫塔(Runge－Kutta)法求解，編寫Matlab驗證計算程序。待UF程序編寫完成后，進行聯(lián)合編譯生成動態(tài)庫(．dll)文件，完成參數(shù)化驅(qū)動程序設計。

3．4設計參數(shù)調(diào)整

參數(shù)化設計既能實現(xiàn)快速模型生成，又能方便實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化選擇。筆者選取設計過程中的兩組輸入?yún)?shù)，進行簡單的優(yōu)劣對比，如表1～4所示。對節(jié)制桿外形參數(shù)以及復進機和制退機結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整，得到了較為理想的后坐制退FR－s曲線圖和后坐－復進v－t曲線圖。由后坐制退FR－s曲線圖可以看出，調(diào)整后的FR峰值減小，曲線變化平緩，充滿度較好。后坐－復進v－t曲線圖顯示，調(diào)整后的后坐－復進運動周期T值合理;后坐－復進運動消除了速度v突變，使速度曲線平緩;在保證復進到位的情況下，復進到位速度小，減小了撞擊。依此判斷設計結(jié)果符合大口徑艦炮反后坐裝置設計要求。

3．5結(jié)果

輸出選擇調(diào)整后的輸入?yún)?shù)，點擊“模型生成”按鈕，即可自動快速生成大口徑艦炮反后坐裝置模型，如圖11所示。

4結(jié)論

筆者采用基于裝配體模板的參數(shù)化程序設計方法，集成了驗證計算程序，將設計知識和經(jīng)驗嵌入功能模塊并用流程圖表述，形成了一種大口徑艦炮反后坐裝置快速設計模塊的開發(fā)方法;通過自頂向下參數(shù)化建模、VC與Matlab混合編程、MFC界面設計，實現(xiàn)了該快速設計模塊的開發(fā)。設計實例表明，該快速設計模塊的開發(fā)方法可行，可大幅減少設計工作量，顯著提高了設計效率。

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作者:曹中臣 姚忠 汪永忠 夏方超 苗圃 單位:西北機電工程研究所