反后坐裝置快速設(shè)計(jì)開發(fā)研究范文
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《火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)》2016年第2期
摘要:
為了提高大口徑艦炮反后坐裝置的設(shè)計(jì)效率，對(duì)其進(jìn)行了快速設(shè)計(jì)模塊開發(fā)研究。基于裝配體三維模板的參數(shù)化程序設(shè)計(jì)思路，將設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)嵌入了功能模塊并用設(shè)計(jì)流程的形式表述，形成了界面化的程序計(jì)算、后坐規(guī)律圖形輸出和參數(shù)驅(qū)動(dòng)一體的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)自頂向下參數(shù)化建模、VC與Matlab混合編程、MFC界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大口徑艦炮反后坐裝置快速設(shè)計(jì)模塊的開發(fā)。以某大口徑艦炮反后坐裝置為設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)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(shè)計(jì)提供了參考。
關(guān)鍵詞:
反后坐裝置;快速設(shè)計(jì);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(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)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(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律［1］。通常，反后坐裝置的設(shè)計(jì)、分析及計(jì)算的過(guò)程相似，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法需設(shè)計(jì)者按照固有設(shè)計(jì)流程開展反復(fù)設(shè)計(jì)計(jì)算和模型修改，工作量大、效率低［2］。針對(duì)反后坐裝置參數(shù)化設(shè)計(jì)主要有采用AutoCAD二次開發(fā)工具和VB集成設(shè)計(jì)［3］、基于I-DEASMas-terSeries實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)［4］、基于Pro/E二次開發(fā)工具和VB實(shí)現(xiàn)制退機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)［5］等方法，但這些方法均采用零件級(jí)參數(shù)化設(shè)計(jì)，裝配繁瑣，且不能保證修改后模型裝配的有效性。文獻(xiàn)［6］雖采用了基于裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)，解決了模型反復(fù)裝配的難題，但沒有實(shí)現(xiàn)計(jì)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(shè)計(jì)方法，集成驗(yàn)證計(jì)算程序，并將設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)模塊的開發(fā)方法，實(shí)現(xiàn)了反后坐裝置的界面化設(shè)計(jì)參數(shù)聯(lián)調(diào)、計(jì)算分析和參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，同時(shí)解決了模型反復(fù)計(jì)算修改和裝配的難題，提高了設(shè)計(jì)效率。
1快速設(shè)計(jì)模塊架構(gòu)
1．1快速設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思路，即采用參數(shù)化程序控制三維模板來(lái)生成新模型，主要由三維模板、MFC交互設(shè)計(jì)界面和參數(shù)化設(shè)計(jì)程序三部分組成。三維模板是設(shè)計(jì)輸入母版，通過(guò)NX軟件建立;MFC交互設(shè)計(jì)界面用于接收輸入的設(shè)計(jì)參數(shù);參數(shù)化設(shè)計(jì)程序封裝了大口徑艦炮反后坐裝置的設(shè)計(jì)知識(shí)，集成了驗(yàn)證計(jì)算程序，可實(shí)時(shí)計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)、輸出后坐－復(fù)進(jìn)規(guī)律曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)模板的驅(qū)動(dòng)更新，從而達(dá)到快速設(shè)計(jì)目的。快速設(shè)計(jì)模塊方案如圖1所示。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)操作，提高設(shè)計(jì)效率，快速設(shè)計(jì)模塊選擇了NX運(yùn)行平臺(tái)，即整個(gè)設(shè)計(jì)工作都在NX環(huán)境下進(jìn)行。因此，需要使用NX二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)該快速設(shè)計(jì)模塊功能的開發(fā)。
1．2參數(shù)化建模
NX/WAVE是采用關(guān)聯(lián)復(fù)制幾何體方法來(lái)控制總體裝配結(jié)構(gòu)，從而保證整個(gè)裝配和零部件的參數(shù)關(guān)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(dá)式功能可以建立不同組件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系［7－9］。根據(jù)大口徑艦炮反后坐裝置的設(shè)計(jì)要求，建立一組頂層參數(shù)化可控基準(zhǔn)框架，對(duì)各個(gè)子零部件的空間及相對(duì)位置做出整體規(guī)劃;利用NX/WAVE技術(shù)將頂層基準(zhǔn)框架中的基準(zhǔn)關(guān)聯(lián)復(fù)制到下一級(jí)零部件中;通過(guò)添加幾何約束和部件間表達(dá)式，使不同組件之間相互關(guān)聯(lián)，實(shí)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(shè)計(jì)界面
交互設(shè)計(jì)界面用于接收設(shè)計(jì)參數(shù)、發(fā)出操作指令和顯示設(shè)計(jì)參數(shù)值。VS2010的MFC功能模塊功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單，可以設(shè)計(jì)出與Win7風(fēng)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(shè)計(jì)操作變得簡(jiǎn)單高效。這樣，設(shè)計(jì)者可以在NX環(huán)境下，只需對(duì)交互設(shè)計(jì)界面進(jìn)行相關(guān)操作，便可完成大口徑艦炮反后坐裝置模板的設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入、調(diào)整和驗(yàn)證計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)模板的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。
1．4參數(shù)化設(shè)計(jì)程序
NX/OpenAPI(NX開放應(yīng)用程序接口)，也稱UserFunction(用戶函數(shù)，簡(jiǎn)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(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，本文參數(shù)化程序采用內(nèi)部UF，針對(duì)反后坐裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(yàn)證計(jì)算速度，采用VC與Matlab混合編程技術(shù)，將反后坐裝置驗(yàn)證計(jì)算程序集成到UF主程序中，通過(guò)編譯生成可被NX直接執(zhí)行的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(．dll)文件。當(dāng)設(shè)計(jì)人員在MFC交互設(shè)計(jì)界面中輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)其發(fā)出設(shè)計(jì)指令，UF程序?qū)⒆詣?dòng)獲取模板及其參數(shù)、編輯表達(dá)式、輸出后坐－復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)曲線，設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)要求評(píng)判后坐－復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)曲線優(yōu)劣，決定是否驅(qū)動(dòng)模板輸出大口徑艦炮反后坐裝置模型。
2快速設(shè)計(jì)模塊
2．1快速設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)模塊的功能實(shí)現(xiàn)方式，將其劃分為反后坐裝置參數(shù)化模板、人機(jī)交互設(shè)計(jì)界面、參數(shù)化驅(qū)動(dòng)程序、后坐－復(fù)進(jìn)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(shè)計(jì)輸入模型;人機(jī)交互設(shè)計(jì)界面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入和顯示;參數(shù)化驅(qū)動(dòng)程序完成設(shè)計(jì)參數(shù)接收和模板驅(qū)動(dòng);后坐－復(fù)進(jìn)規(guī)律判斷子模塊輸出制退后坐曲線并由設(shè)計(jì)者依據(jù)已有知識(shí)完成設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)劣判斷;結(jié)果輸出子模塊實(shí)現(xiàn)大口徑艦炮反后坐裝置模型設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出。
2．2快速設(shè)計(jì)模塊的實(shí)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(wù)是進(jìn)行大口徑艦炮反后坐裝置參數(shù)化模板構(gòu)建、人機(jī)交互設(shè)計(jì)界面設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)程序編寫。運(yùn)用反后坐裝置設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行大口徑艦炮反后坐裝置設(shè)計(jì)，借助裝配體參數(shù)化建模技術(shù)、MFC界面設(shè)計(jì)技術(shù)、VC與Matlab混合編程技術(shù)等進(jìn)行NX二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了模塊相關(guān)功能，完成了快速設(shè)計(jì)模塊開發(fā)。將這些設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)模塊的開發(fā)方法，流程如圖2所示。
3設(shè)計(jì)實(shí)例
結(jié)合某大口徑艦炮反后坐裝置設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行快速設(shè)計(jì)模塊開發(fā)，復(fù)進(jìn)機(jī)采用液體氣壓式結(jié)構(gòu)，制退機(jī)采用節(jié)制桿式結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)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(wú)炮口制退器后坐極限長(zhǎng)Lλmax依設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(zhǎng)Lλmax、最大后坐阻力FRmax、復(fù)進(jìn)終了速度vλ0、后坐復(fù)進(jìn)周期T。結(jié)構(gòu)參數(shù)有復(fù)進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、制退機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、制退機(jī)溝槽參數(shù)和節(jié)制桿外形尺寸參數(shù)等。復(fù)進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:復(fù)進(jìn)機(jī)工作長(zhǎng)度L、復(fù)進(jìn)筒內(nèi)徑Df、復(fù)進(jìn)筒外徑D'f、活塞桿直徑d、活塞長(zhǎng)度Lh及其他尺寸等。制退機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:制退機(jī)工作長(zhǎng)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(shè)計(jì)參數(shù)，一起確定節(jié)制桿外形結(jié)構(gòu)，如圖5所示。以復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)起始位置為參考點(diǎn)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(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)的參數(shù)化模板。如圖6、7所示。
3．2人機(jī)交互設(shè)計(jì)界面
人機(jī)交互設(shè)計(jì)界面由氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)區(qū)域、節(jié)制桿式制退機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)區(qū)域和相關(guān)命令按鈕組成。其中節(jié)制桿式制退機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)
程序筆者在對(duì)復(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析基礎(chǔ)上，研究了后坐復(fù)進(jìn)過(guò)程中后坐體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和反后坐裝置各部件的受力情況，建立如下動(dòng)力學(xué)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(dǎo)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(shí)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(shí)刻;φ1為僅考慮彈丸旋轉(zhuǎn)和摩擦兩種次要功的計(jì)算系數(shù);pg為彈丸脫離炮口時(shí)膛內(nèi)的平均壓力;FΦh為制退機(jī)力;Ff為復(fù)進(jìn)機(jī)力;F為反后坐裝置密封裝置摩擦力;FT為搖架導(dǎo)軌上的摩擦力;α為射角;v為后坐部分運(yùn)動(dòng)速度;ax為流液孔面積。采用四階龍格－庫(kù)塔(Runge－Kutta)法求解，編寫Matlab驗(yàn)證計(jì)算程序。待UF程序編寫完成后，進(jìn)行聯(lián)合編譯生成動(dòng)態(tài)庫(kù)(．dll)文件，完成參數(shù)化驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。
3．4設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整
參數(shù)化設(shè)計(jì)既能實(shí)現(xiàn)快速模型生成，又能方便實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化選擇。筆者選取設(shè)計(jì)過(guò)程中的兩組輸入?yún)?shù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的優(yōu)劣對(duì)比，如表1～4所示。對(duì)節(jié)制桿外形參數(shù)以及復(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)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(fù)進(jìn)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(fù)進(jìn)v－t曲線圖顯示，調(diào)整后的后坐－復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)周期T值合理;后坐－復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)消除了速度v突變，使速度曲線平緩;在保證復(fù)進(jìn)到位的情況下，復(fù)進(jìn)到位速度小，減小了撞擊。依此判斷設(shè)計(jì)結(jié)果符合大口徑艦炮反后坐裝置設(shè)計(jì)要求。
3．5結(jié)果
輸出選擇調(diào)整后的輸入?yún)?shù)，點(diǎn)擊“模型生成”按鈕，即可自動(dòng)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(shè)計(jì)方法，集成了驗(yàn)證計(jì)算程序，將設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)模塊的開發(fā)方法;通過(guò)自頂向下參數(shù)化建模、VC與Matlab混合編程、MFC界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該快速設(shè)計(jì)模塊的開發(fā)。設(shè)計(jì)實(shí)例表明，該快速設(shè)計(jì)模塊的開發(fā)方法可行，可大幅減少設(shè)計(jì)工作量，顯著提高了設(shè)計(jì)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(jī)電工程研究所