反后坐装置快速设计开发研究范文

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《火炮发射与控制学报》2016年第2期

摘要:

为了提高大口径舰炮反后坐装置的设计效率，对其进行了快速设计模块开发研究。基于装配体三维模板的参数化程序设计思路，将设计知识和经验嵌入了功能模块并用设计流程的形式表述，形成了界面化的程序计算、后坐规律图形输出和参数驱动一体的设计方法。通过自顶向下参数化建模、VC与Matlab混合编程、MFC界面设计，实现了大口径舰炮反后坐装置快速设计模块的开发。以某大口径舰炮反后坐装置为设计实例验证了该模块的可行性和有效性。该模块开发方法为火炮工程设计提供了参考。

关键词:

反后坐装置;快速设计;参数化;二次开发

反后坐装置是火炮的重要部件，主要由复进机和制退机两部分组成。它的功能是消耗后坐能量缓冲后坐力，并控制火炮后坐部分的后坐和复进运动规律［1］。通常，反后坐装置的设计、分析及计算的过程相似，传统设计方法需设计者按照固有设计流程开展反复设计计算和模型修改，工作量大、效率低［2］。针对反后坐装置参数化设计主要有采用AutoCAD二次开发工具和VB集成设计［3］、基于I-DEASMas-terSeries实现参数化设计［4］、基于Pro/E二次开发工具和VB实现制退机的参数化设计［5］等方法，但这些方法均采用零件级参数化设计，装配繁琐，且不能保证修改后模型装配的有效性。文献［6］虽采用了基于装配体的参数化设计，解决了模型反复装配的难题，但没有实现计算程序的集成。因此，笔者采用基于装配体模板的参数化程序设计方法，集成验证计算程序，并将设计知识和经验以功能模块和流程的形式加以固化，形成了大口径舰炮反后坐装置快速设计模块的开发方法，实现了反后坐装置的界面化设计参数联调、计算分析和参数驱动设计，同时解决了模型反复计算修改和装配的难题，提高了设计效率。

1快速设计模块架构

1．1快速设计模块方案

该模块方案采用基于装配体三维模板的参数化程序设计思路，即采用参数化程序控制三维模板来生成新模型，主要由三维模板、MFC交互设计界面和参数化设计程序三部分组成。三维模板是设计输入母版，通过NX软件建立;MFC交互设计界面用于接收输入的设计参数;参数化设计程序封装了大口径舰炮反后坐装置的设计知识，集成了验证计算程序，可实时计算设计参数、输出后坐－复进规律曲线，实现对模板的驱动更新，从而达到快速设计目的。快速设计模块方案如图1所示。为了简化设计操作，提高设计效率，快速设计模块选择了NX运行平台，即整个设计工作都在NX环境下进行。因此，需要使用NX二次开发技术实现对该快速设计模块功能的开发。

1．2参数化建模

NX/WAVE是采用关联复制几何体方法来控制总体装配结构，从而保证整个装配和零部件的参数关联性，适合于自顶向下的装配体参数化模型构建;部件间表达式功能可以建立不同组件之间的关联关系［7－9］。根据大口径舰炮反后坐装置的设计要求，建立一组顶层参数化可控基准框架，对各个子零部件的空间及相对位置做出整体规划;利用NX/WAVE技术将顶层基准框架中的基准关联复制到下一级零部件中;通过添加几何约束和部件间表达式，使不同组件之间相互关联，实现零部件间数据的共享和传递，完成了大口径舰炮反后坐装置的装配体参数化模板构建。

1．3MFC交互设计界面

交互设计界面用于接收设计参数、发出操作指令和显示设计参数值。VS2010的MFC功能模块功能强大、设计操作简单，可以设计出与Win7风格相同、兼容性良好的交互界面［10］。MFC交互界面的使用，可以让设计操作变得简单高效。这样，设计者可以在NX环境下，只需对交互设计界面进行相关操作，便可完成大口径舰炮反后坐装置模板的设计参数的输入、调整和验证计算，以实现对模板的驱动设计。

1．4参数化设计程序

NX/OpenAPI(NX开放应用程序接口)，也称UserFunction(用户函数，简称UF)。UF程序分为外部模式和内部模式，其中内部UF可以和NX界面无缝集成，实现动态设计，本文参数化程序采用内部UF，针对反后坐装置的设计参数进行编程，实现设计参数的查询、修改，根据新的参数值更新模型。为了提高反后坐装置的验证计算速度，采用VC与Matlab混合编程技术，将反后坐装置验证计算程序集成到UF主程序中，通过编译生成可被NX直接执行的动态链接库(．dll)文件。当设计人员在MFC交互设计界面中输入设计参数，并对其发出设计指令，UF程序将自动获取模板及其参数、编辑表达式、输出后坐－复进运动曲线，设计者根据设计要求评判后坐－复进运动曲线优劣，决定是否驱动模板输出大口径舰炮反后坐装置模型。

2快速设计模块

2．1快速设计模块的功能划分

笔者依据大口径舰炮反后坐装置快速设计模块的功能实现方式，将其划分为反后坐装置参数化模板、人机交互设计界面、参数化驱动程序、后坐－复进规律判断和结果输出五大功能子模块。其中参数化模板提供设计输入模型;人机交互设计界面实现设计参数输入和显示;参数化驱动程序完成设计参数接收和模板驱动;后坐－复进规律判断子模块输出制退后坐曲线并由设计者依据已有知识完成设计结果优劣判断;结果输出子模块实现大口径舰炮反后坐装置模型设计结果的输出。

2．2快速设计模块的实现

依据上述功能子模块的划分，该模块开发的主要任务是进行大口径舰炮反后坐装置参数化模板构建、人机交互设计界面设计和驱动程序编写。运用反后坐装置设计知识和设计经验进行大口径舰炮反后坐装置设计，借助装配体参数化建模技术、MFC界面设计技术、VC与Matlab混合编程技术等进行NX二次开发，实现了模块相关功能，完成了快速设计模块开发。将这些设计知识和设计经验嵌入功能模块并用流程图表述，形成了大口径舰炮反后坐装置快速设计模块的开发方法，流程如图2所示。

3设计实例

结合某大口径舰炮反后坐装置设计实例进行快速设计模块开发，复进机采用液体气压式结构，制退机采用节制杆式结构。设计条件为常温下内弹道数据、弹丸质量m=35kg、后坐部分质量mh=3800kg、无炮口制退器后坐极限长Lλmax依设计要求可在550～1000mm之间参数化控制。

3．1反后坐装置参数梳理及模板构建

经初步设计确定反后坐装置的性能参数和结构参数。性能参数有后坐部分质量mh、后坐极限长Lλmax、最大后坐阻力FRmax、复进终了速度vλ0、后坐复进周期T。结构参数有复进机结构参数、制退机结构参数、制退机沟槽参数和节制杆外形尺寸参数等。复进机的结构如图3所示，主要结构参数包括:复进机工作长度L、复进筒内径Df、复进筒外径D'f、活塞杆直径d、活塞长度Lh及其他尺寸等。制退机的结构如图4所示，主要结构参数包括:制退机工作长度L、制退筒内径DT、制退筒外径D'T、制退杆外径dT、制退杆内腔直径d1、节制环直径dp及节制杆外形尺寸等。流液孔面积ax由节制环内径dp和节制杆外径dx共同决定，节制杆的外形由15段圆锥段构成，将Lx和dx作为可调设计参数，一起确定节制杆外形结构，如图5所示。以复进运动起始位置为参考点确定沟槽延伸位置x0和沟槽变浅位置x1参数，并确定沟槽深度h0、沟槽变浅处深度h1等参数。依据反后坐装置结构形式及参数，在NX中分别构建了复进机和制退机的参数化模板。如图6、7所示。

3．2人机交互设计界面

人机交互设计界面由气压式复进机设计参数区域、节制杆式制退机设计参数区域和相关命令按钮组成。其中节制杆式制退机设计参数区域包括结构参数区域、沟槽参数区域和节制杆外形参数区域。完成后的MFC交互式开发界面，如下图8所示。

3．3参数化驱动

程序笔者在对复进机和制退机的结构特点的分析基础上，研究了后坐复进过程中后坐体运动规律和反后坐装置各部件的受力情况，建立如下动力学分析模型：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为后坐位移;Fpt为炮膛合力;FR为后坐阻力;φ为次要功系数;ω为火药装药质量;A为导向部分的横截面积;p为膛内平均压力;tg为弹丸出炮口时刻;Fg为弹丸脱离炮口瞬间炮膛合力;b为炮膛合力衰减系数;tk为火药气体后效期结束时刻;φ1为仅考虑弹丸旋转和摩擦两种次要功的计算系数;pg为弹丸脱离炮口时膛内的平均压力;FΦh为制退机力;Ff为复进机力;F为反后坐装置密封装置摩擦力;FT为摇架导轨上的摩擦力;α为射角;v为后坐部分运动速度;ax为流液孔面积。采用四阶龙格－库塔(Runge－Kutta)法求解，编写Matlab验证计算程序。待UF程序编写完成后，进行联合编译生成动态库(．dll)文件，完成参数化驱动程序设计。

3．4设计参数调整

参数化设计既能实现快速模型生成，又能方便实现参数优化选择。笔者选取设计过程中的两组输入参数，进行简单的优劣对比，如表1～4所示。对节制杆外形参数以及复进机和制退机结构参数进行调整，得到了较为理想的后坐制退FR－s曲线图和后坐－复进v－t曲线图。由后坐制退FR－s曲线图可以看出，调整后的FR峰值减小，曲线变化平缓，充满度较好。后坐－复进v－t曲线图显示，调整后的后坐－复进运动周期T值合理;后坐－复进运动消除了速度v突变，使速度曲线平缓;在保证复进到位的情况下，复进到位速度小，减小了撞击。依此判断设计结果符合大口径舰炮反后坐装置设计要求。

3．5结果

输出选择调整后的输入参数，点击“模型生成”按钮，即可自动快速生成大口径舰炮反后坐装置模型，如图11所示。

4结论

笔者采用基于装配体模板的参数化程序设计方法，集成了验证计算程序，将设计知识和经验嵌入功能模块并用流程图表述，形成了一种大口径舰炮反后坐装置快速设计模块的开发方法;通过自顶向下参数化建模、VC与Matlab混合编程、MFC界面设计，实现了该快速设计模块的开发。设计实例表明，该快速设计模块的开发方法可行，可大幅减少设计工作量，显著提高了设计效率。

参考文献：

［1］谈乐斌，张相炎，郑建国，等．火炮概论［M］．北京:北京理工大学出版社，2014:97－102．

［2］高树滋，陈运生，张月林，等．火炮反后坐装置设计［M］．北京:兵器工业出版社，1995．

［3］曹广群，姚红云，刘树华，等．基于二次开发的液体气压式复进机参数化设计［J］．中北大学学报:自然科学版，2009，30(1):46－49．

［4］狄长春，陈永才，王兴贵，等．火炮总体结构参数化设计研究［J］．机械，2002，29(2):17－18．

［5］刘启航，徐亚栋，羊柳．节制杆式制退机参数化设计及优化［J］．火炮发射与控制学报，2013(4):49－53．

［6］刘启航，徐亚栋．火炮反后坐装置参数化设计及优化［D］．南京:南京理工大学，2014．

［7］北京兆迪科技有限公司．UGNX8．5宝典［M］．北京:中国水利水电出版社，2013:474－502．

［8］张开运，田怀文．基于UG的产品级三维参数化设计研究［J］．机械，2011，38(2):36－40．

［9］史丽媛，祝锡晶，马继召．基于UG参数化设计系统的研究［J］．图学学报，2013，34(2):108－112．

［10］刘冰，张林，蒋贵全，等．VisualC2010程序设计案例教程［M］．北京:机械工业出版社，2013:14－22．

作者:曹中臣 姚忠 汪永忠 夏方超 苗圃 单位:西北机电工程研究所