榴弹结构参数化设计系统技术研究

康辉，曹红松，刘鹏飞，刘恒著，李仁禧

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.重庆长江电工工业集团有限公司，重庆 401336)

榴弹是构成火炮弹药的基本弹种，主要用于杀伤敌人有生力量，摧毁敌人防御工事、武器装备和其他军事设施[1]。在现代战争中，榴弹的战技要求变得更加具体化和多样化，榴弹的设计要迅速满足现代战争的需求[2]。榴弹研制是一个反复试探性的过程，每一个阶段不满足要求都要重新进行结构和参数设计，榴弹结构设计在榴弹设计过程中具有重要地位[3]。

目前，国内对于榴弹的结构设计有了一定的研究。刘松健等采用批处理模式的UG二次开发方法调用UG完成三维模型的建立，实现了对多个部件的快速操作[4]。陈柏旭等提出了杀爆弹特征划分方法，通过调用UG/OPEN API里的函数实现了杀爆弹的建模[5]。但是上述文献中没有涉及到榴弹的结构特征数和飞行稳定性等计算；并且建模过程中通过调用UG/OPEN API函数达到建模目的，建模方法较为复杂[6-7]。

笔者通过对榴弹进行结构特征参数分析，实现了图形化榴弹结构参数化方案设计，使用UG/OPEN API函数和Journal功能相结合的建模方法建立了榴弹的参数化模型，并且对榴弹的结构特征数和飞行稳定性进行了计算，对所设计榴弹的弹头部长度、圆柱部长度、弹尾部长度及弹壁平均厚度采用DOE方法进行了多方案优化，得到了合适的榴弹结构参数。

1 榴弹结构参数化设计系统方案

系统由C++语言在Qt 5.12.9(以下简称QT)和Visual Studio 2017(以下简称VS 2017)环境下进行开发。系统在QT平台上搭建交互界面，主要有绘制二维方案图形、三维建模、气动预估及结构参数优化四大模块：

1)绘制二维方案图形是由交互界面上输入的弹体参数进行实时响应绘图，将所设计的榴弹以二维方案图的形式展现在交互界面上。

2)三维建模是根据榴弹结构参数分别生成单个的零件模型，然后进行自动装配，再对装配好的榴弹模型进行材质赋予和质量特性分析。

3)气动预估是通过将榴弹特征参数进行工程计算，得到气动预估结果。

4)结构参数优化是通过DOE方法得到合适的榴弹结构参数满足榴弹的结构特征数和飞行稳定性条件。

1.1 系统体系结构

系统有4层体系结构，包括用户层、交互层、数据层及驱动层。系统体系框架如图1所示。

1)用户层面向榴弹设计过程中的系统操作人员，通过可视化界面调用系统功能来完成设计。

2)交互层由绘制二维方案图形、三维建模、模型预览、材质赋予、质量特性分析、榴弹气动预估、结构参数优化等多个功能模块组成。

3)数据层是由数据文件组成，存储了榴弹设计的结构参数、模型材质参数、质量特性分析结果、气动参数预估结果、结构参数优化结果等数据，并管理设计过程中的设计参数、任务文件。后期还可以在前期保存工程的基础上进行再设计。系统各功能模块通过各种数据接口对相关数据文件进行交换和传输，完成设计任务。

4)驱动层是构建和支撑整个系统各功能模块开发的软件条件。在VS 2017和QT环境下，将程序进行编译，完成各模块功能的实现。

1.2 系统功能架构

榴弹参数化设计系统有以下功能：

1)二维方案图形是由用户在系统交互界面输入弹体外形和内腔结构参数时，榴弹的二维方案图在系统界面上实时生成的。

2)三维建模分为零件建模、自动装配和模型预览，建立引信、弹头部、圆柱部、弹尾部、弹带和装药的模型，再自动装配成榴弹模型，模型预览可以查看各个零件和榴弹装配体的三维模型以及它们的1/2和1/4剖视图。

3)材质赋予是给引信、弹体、弹带和装药设置材料参数。

4)质量特性分析是对榴弹装配体进行质量特性分析，得到全弹质心位置、极转动惯量及赤道转动惯量等参数，并将分析结果显示在交互界面上。

5)结构特征数计算是通过对弹丸相对质量Cm、炸药相对质量Cω、炸药装填系数α及弹体相对壁厚λδ进行计算检验，判断其是否在合理范围内。

6)气动参数预估是通过工程算法完成预估，得到相关的气动预估结果，来判断榴弹的稳定性。系统功能结构如图2所示。

7)结构参数优化是通过对榴弹的结构特征数和飞行稳定性进行计算，找到适合的结构参数满足其条件。

1.3 数据管理

数据管理是系统的底层结构，主要功能是对系统各功能模块提供数据支撑。XML(可扩展标记语言)作为一种半结构化语言，具有良好的信息表达功能，因此在信息交换、数据存储及异构数据集成方面拥有广泛的应用前景，并成为当前互联网上信息交换的主要标准[8]。根据系统工作流程，分析各功能模块的数据输入输出关系和各功能模块之间的数据传递关系，以XML文件形式实现数据的保存、提取、查询等功能。数据管理如图3所示。

1.4 系统工作流程

系统的工作流程图如图4所示。

2 系统开发的关键技术

在系统开发的过程中涉及到的主要关键技术有榴弹结构参数抽取、参数驱动的实时二维方案图形构建、三维模型的生成及装药模型自动生成。

2.1 榴弹结构参数抽取

系统根据榴弹结构参数，生成用于榴弹参数化建模的参数化模型参数，该参数将用于系统的其他模块中。榴弹结构由引信、弹头部、圆柱部、弹尾部、弹带等部分组成，榴弹的参数化模型如图5所示。

榴弹结构参数与参数化模型参数对应如表1所示。

表1 参数化模型参数与榴弹结构参数对应关系

榴弹弹头部类型较多，以圆弧形母线为例，弹头部参数化模型如图6所示。

弹头部的圆弧母线的坐标(a,b)以及母线半径ρ可由式(1)、(2)、(3)求出：

(1)

(2)

(3)

式中，m=L2+L3+L4。

2.2 参数驱动的实时二维图形构建

在交互界面上输入榴弹结构参数后，基于QT的QPainter类绘制出关键节点，连接绘制出的点生成二维方案图形。当交互界面上的QLineEdit(参数输入框)参数修改后，传递一个editingFinished()信号给场景更新函数update()进行响应，实时驱动二维图像更新。

绘制二维方案图形模块中需要输入的榴弹结构参数部分如图7所示。在对话框内输入对应参数后，交互界面上实时更新榴弹二维方案图，如图8所示。

2.3 三维模型的生成

UG的Journal功能可以自动记录交互环境下的用户的操作，并生成相应的VB.NET、JAVA、C#、C++代码，随后可以进行编辑和重放[9-10]。

榴弹三维模型的生成通过使用UG的Journal功能在建模环境中进行操作录制，无法录制的功能通过调用UG/OPEN API函数实现。例如本文中关于创建直线的代码如下:

NXOpen::Line *line1;

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

装配榴弹的代码如下：

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);

将零件建模、整体装配、材质赋予等功能编写成函数发布成exe文件。榴弹结构参数通过回调函数与exe文件进行关联，完成建模、装配、材质赋予等任务。

2.4 装药模型自动生成

榴弹内部装药模型是通过抽取榴弹内壁的曲线通过旋转命令来自动生成。如抽取曲线的命令代码如下：

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);

药柱的长度为L3+L4+L5+L6-L7、半径为R7，生成的三维模型如图9所示。

3 榴弹特征参数分析

3.1 榴弹质量特性分析

在质量特性分析模块中，可以分析各部件的质量，也可以分析全弹质量、质心位置、极转动惯量、赤道转动惯量等质量特性，得到的结果参数用于榴弹结构特征数和气动参数计算。在设置引信、装药、弹体及装药的材质参数后，进行质量特性分析。图10为质量特性分析。

3.2 榴弹结构特征数计算

榴弹对目标的破坏能力随弹丸的大小和结构的不同而有所差异，一般通过结构特征数的相互比较来反映不同弹丸威力的大小[11]。通过对设计的弹丸进行结构特征数计算，判断榴弹结构的合理性。通常采用的结构特征数有弹丸相对质量Cm、炸药相对质量Cω、炸药装填系数α及弹体相对壁厚λδ：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：m为弹丸质量(kg)；d为弹径(dm)；ω为炸药质量(kg)；δ为壁厚(dm)。

榴弹结构特征数取值范围如表2所示。

表2 榴弹结构特征数取值范围

3.3 气动参数预估

通过对榴弹进行气动参数预估，得到阻力系数、升力系数导数、俯仰力矩系数导数等参数。根据气动力参数计算榴弹的陀螺稳定因子S和动态稳定因子Sd，判断榴弹的飞行稳定性。气动计算所需的弹体结构参数和质量特性参数从数据文件中读取。需要的飞行条件参数：马赫数、攻角、海拔、空气密度、空气温度等，如图11所示。

陀螺稳定因子S表示急螺稳定性，急螺稳定性条件为S>1；满足动态稳定，即Sd(2-Sd)>1/S是弹丸稳定的充要条件。

(8)

(9)

式中：d为弹径(dm)；C′y为升力系数导数；m′y为马格努斯力矩系数导数；m′zz为赤道阻尼力矩系数导数;Jx为弹丸极转动惯量(kg·m2);Jy为弹丸赤道转动惯量(kg·m2);η为火炮缠度；h为弹丸质心至空气阻力中心的距离(m)；kmz(M)为翻转力矩的速度函数；g为重力加速度。

4 榴弹结构参数优化设计

榴弹结构参数优化需要飞行性能与结构特征数达到最佳匹配，飞行性能主要基于气动参数预估结果计算陀螺稳定与动态稳定因子，与装填系数进行匹配，获得合适的结构参数。DOE方法是研究与处理多因素试验的一种科学方法，通过设计正交表分析各种因素之间的相互作用，通过一系列的试验确定最优方案[12]。榴弹结构参数优化设计过程采用DOE方法，找到最佳的结构参数，满足榴弹结构特征数和飞行稳定性的设计要求。

4.1 试验指标和试验因子

正交试验方案以弹丸的装填系数α作为试验指标，以A代表弹头部长度、B代表圆柱部长度、C代表弹尾部长度、D代表弹壁平均厚度作为试验因子。

4.2 试验设计

4个试验因子影响着榴弹的装填系数，每个试验因子包含3个水平，所以采用L9(34)正交试验表进行设计试验。

5 实例测试

针对所设计的105 mm爆破榴弹为例，图12为105 mm爆破榴弹的三维模型。

对105 mm爆破榴弹的飞行稳定性和装填系数计算得S为2.4、Sd为1.23、α为7.4%。所设计的榴弹满足飞行稳定条件Sd(2-Sd)>1/S，但装填系数α偏低，需要对榴弹的结构参数进行优化，提高榴弹的装填系数。DOE方法优化中采用的4因子3水平的全因子实验设计如表3所示。

表3 试验因子水平表 mm

采用L9(34)正交试验表设计的试验方案如表4所示。

表4 正交试验方案表

对以上9组试验方案进行参数化建模并对榴弹的结构特征数和飞行稳定性计算，统计试验结果如表5所示。

表5 试验结果统计表

由于爆破榴弹侧重爆破，炸药威力大，所以选择装填系数较大的方案。从表5中可以发现，方案9的装填系数为13.7%，相比于原设计方案的7.4%大幅提高，且榴弹满足飞行稳定条件，所以选择方案9作为105 mm爆破榴弹设计方案。

6 结论

笔者在榴弹设计理论研究的基础上，将参数化建模与榴弹设计相结合，设计开发出榴弹结构参数化设计系统。根据系统总体方案阐述了榴弹参数化设计所涉及关键技术的实现方法和过程。系统以参数驱动实时更新榴弹二维方案图，同时借助UG二次开发工具实现榴弹三维自动建模、自动装配、质量特性分析等功能。利用工程算法对榴弹的结构特征数和飞行稳定性进行计算，以此来判断榴弹方案的合理性，并对榴弹结构参数采用DOE方法进行优化，选择合适的结构参数。该系统的构建为今后相关榴弹参数化设计平台的开发和复杂模型的参数化设计提供了参考。