反后坐裝置快速設計開發研究范文

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《火炮發射與控制學報》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研究。基于裝配體三維模板的參數化程序設計思路，將設計知識和經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、后坐規律圖形輸出和參數驅動一體的設計方法。通過自頂向下參數化建模、VC與Matlab混合編程、MFC界面設計，實現了大口徑艦炮反后坐裝置快速設計模塊的開發。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;參數化;二次開發

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律［1］。通常，反后坐裝置的設計、分析及計算的過程相似，傳統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化設計主要有采用AutoCAD二次開發工具和VB集成設計［3］、基于I-DEASMas-terSeries實現參數化設計［4］、基于Pro/E二次開發工具和VB實現制退機的參數化設計［5］等方法，但這些方法均采用零件級參數化設計，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化設計，解決了模型反復裝配的難題，但沒有實現計算程序的集成。因此，筆者采用基于裝配體模板的參數化程序設計方法，集成驗證計算程序，并將設計知識和經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方法，實現了反后坐裝置的界面化設計參數聯調、計算分析和參數驅動設計，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

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化程序設計思路，即采用參數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;參數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、輸出后坐－復進規律曲線，實現對模板的驅動更新，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環境下進行。因此，需要使用NX二次開發技術實現對該快速設計模塊功能的開發。

1．2參數化建模

NX/WAVE是采用關聯復制幾何體方法來控制總體裝配結構，從而保證整個裝配和零部件的參數關聯性，適合于自頂向下的裝配體參數化模型構建;部件間表達式功能可以建立不同組件之間的關聯關系［7－9］。根據大口徑艦炮反后坐裝置的設計要求，建立一組頂層參數化可控基準框架，對各個子零部件的空間及相對位置做出整體規劃;利用NX/WAVE技術將頂層基準框架中的基準關聯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，實現零部件間數據的共享和傳遞，完成了大口徑艦炮反后坐裝置的裝配體參數化模板構建。

1．3MFC交互設計界面

交互設計界面用于接收設計參數、發出操作指令和顯示設計參數值。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的輸入、調整和驗證計算，以實現對模板的驅動設計。

1．4參數化設計程序

NX/OpenAPI(NX開放應用程序接口)，也稱UserFunction(用戶函數，簡稱UF)。UF程序分為外部模式和內部模式，其中內部UF可以和NX界面無縫集成，實現動態設計，本文參數化程序采用內部UF，針對反后坐裝置的設計參數進行編程，實現設計參數的查詢、修改，根據新的參數值更新模型。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直接執行的動態鏈接庫(．dll)文件。當設計人員在MFC交互設計界面中輸入設計參數，并對其發出設計指令，UF程序將自動獲取模板及其參數、編輯表達式、輸出后坐－復進運動曲線，設計者根據設計要求評判后坐－復進運動曲線優劣，決定是否驅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

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

2．2快速設計模塊的實現

依據上述功能子模塊的劃分，該模塊開發的主要任務是進行大口徑艦炮反后坐裝置參數化模板構建、人機交互設計界面設計和驅動程序編寫。運用反后坐裝置設計知識和設計經驗進行大口徑艦炮反后坐裝置設計，借助裝配體參數化建模技術、MFC界面設計技術、VC與Matlab混合編程技術等進行NX二次開發，實現了模塊相關功能，完成了快速設計模塊開發。將這些設計知識和設計經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方法，流程如圖2所示。

3設計實例

結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，復進機采用液體氣壓式結構，制退機采用節制桿式結構。設計條件為常溫下內彈道數據、彈丸質量m=35kg、后坐部分質量mh=3800kg、無炮口制退器后坐極限長Lλmax依設計要求可在550～1000mm之間參數化控制。

3．1反后坐裝置參數梳理及模板構建

經初步設計確定反后坐裝置的性能參數和結構參數。性能參數有后坐部分質量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。結構參數有復進機結構參數、制退機結構參數、制退機溝槽參數和節制桿外形尺寸參數等。復進機的結構如圖3所示，主要結構參數包括:復進機工作長度L、復進筒內徑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。制退機的結構如圖4所示，主要結構參數包括:制退機工作長度L、制退筒內徑DT、制退筒外徑D'T、制退桿外徑dT、制退桿內腔直徑d1、節制環直徑dp及節制桿外形尺寸等。流液孔面積ax由節制環內徑dp和節制桿外徑dx共同決定，節制桿的外形由15段圓錐段構成，將Lx和dx作為可調設計參數，一起確定節制桿外形結構，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，并確定溝槽深度h0、溝槽變淺處深度h1等參數。依據反后坐裝置結構形式及參數，在NX中分別構建了復進機和制退機的參數化模板。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區域、節制桿式制退機設計參數區域和相關命令按鈕組成。其中節制桿式制退機設計參數區域包括結構參數區域、溝槽參數區域和節制桿外形參數區域。完成后的MFC交互式開發界面，如下圖8所示。

3．3參數化驅動

程序筆者在對復進機和制退機的結構特點的分析基礎上，研究了后坐復進過程中后坐體運動規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;ω為火藥裝藥質量;A為導向部分的橫截面積;p為膛內平均壓力;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;tk為火藥氣體后效期結束時刻;φ1為僅考慮彈丸旋轉和摩擦兩種次要功的計算系數;pg為彈丸脫離炮口時膛內的平均壓力;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，進行聯合編譯生成動態庫(．dll)文件，完成參數化驅動程序設計。

3．4設計參數調整

參數化設計既能實現快速模型生成，又能方便實現參數優化選擇。筆者選取設計過程中的兩組輸入參數，進行簡單的優劣對比，如表1～4所示。對節制桿外形參數以及復進機和制退機結構參數進行調整，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。依此判斷設計結果符合大口徑艦炮反后坐裝置設計要求。

3．5結果

輸出選擇調整后的輸入參數，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結論

筆者采用基于裝配體模板的參數化程序設計方法，集成了驗證計算程序，將設計知識和經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方法;通過自頂向下參數化建模、VC與Matlab混合編程、MFC界面設計，實現了該快速設計模塊的開發。設計實例表明，該快速設計模塊的開發方法可行，可大幅減少設計工作量，顯著提高了設計效率。

參考文獻：

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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