榴彈結構參數化設計系統技術研究

康輝，曹紅松，劉鵬飛，劉恒著，李仁禧

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051；2.重慶長江電工工業集團有限公司，重慶 401336)

榴彈是構成火炮彈藥的基本彈種，主要用于殺傷敵人有生力量，摧毀敵人防御工事、武器裝備和其他軍事設施[1]。在現代戰爭中，榴彈的戰技要求變得更加具體化和多樣化，榴彈的設計要迅速滿足現代戰爭的需求[2]。榴彈研制是一個反復試探性的過程，每一個階段不滿足要求都要重新進行結構和參數設計，榴彈結構設計在榴彈設計過程中具有重要地位[3]。

目前，國內對于榴彈的結構設計有了一定的研究。劉松健等采用批處理模式的UG二次開發方法調用UG完成三維模型的建立，實現了對多個部件的快速操作[4]。陳柏旭等提出了殺爆彈特征劃分方法，通過調用UG/OPEN API里的函數實現了殺爆彈的建模[5]。但是上述文獻中沒有涉及到榴彈的結構特征數和飛行穩定性等計算；并且建模過程中通過調用UG/OPEN API函數達到建模目的，建模方法較為復雜[6-7]。

筆者通過對榴彈進行結構特征參數分析，實現了圖形化榴彈結構參數化方案設計，使用UG/OPEN API函數和Journal功能相結合的建模方法建立了榴彈的參數化模型，并且對榴彈的結構特征數和飛行穩定性進行了計算，對所設計榴彈的彈頭部長度、圓柱部長度、彈尾部長度及彈壁平均厚度采用DOE方法進行了多方案優化，得到了合適的榴彈結構參數。

1 榴彈結構參數化設計系統方案

系統由C++語言在Qt 5.12.9(以下簡稱QT)和Visual Studio 2017(以下簡稱VS 2017)環境下進行開發。系統在QT平臺上搭建交互界面，主要有繪制二維方案圖形、三維建模、氣動預估及結構參數優化四大模塊：

1)繪制二維方案圖形是由交互界面上輸入的彈體參數進行實時響應繪圖，將所設計的榴彈以二維方案圖的形式展現在交互界面上。

2)三維建模是根據榴彈結構參數分別生成單個的零件模型，然后進行自動裝配，再對裝配好的榴彈模型進行材質賦予和質量特性分析。

3)氣動預估是通過將榴彈特征參數進行工程計算，得到氣動預估結果。

4)結構參數優化是通過DOE方法得到合適的榴彈結構參數滿足榴彈的結構特征數和飛行穩定性條件。

1.1 系統體系結構

系統有4層體系結構，包括用戶層、交互層、數據層及驅動層。系統體系框架如圖1所示。

1)用戶層面向榴彈設計過程中的系統操作人員，通過可視化界面調用系統功能來完成設計。

2)交互層由繪制二維方案圖形、三維建模、模型預覽、材質賦予、質量特性分析、榴彈氣動預估、結構參數優化等多個功能模塊組成。

3)數據層是由數據文件組成，存儲了榴彈設計的結構參數、模型材質參數、質量特性分析結果、氣動參數預估結果、結構參數優化結果等數據，并管理設計過程中的設計參數、任務文件。后期還可以在前期保存工程的基礎上進行再設計。系統各功能模塊通過各種數據接口對相關數據文件進行交換和傳輸，完成設計任務。

4)驅動層是構建和支撐整個系統各功能模塊開發的軟件條件。在VS 2017和QT環境下，將程序進行編譯，完成各模塊功能的實現。

1.2 系統功能架構

榴彈參數化設計系統有以下功能：

1)二維方案圖形是由用戶在系統交互界面輸入彈體外形和內腔結構參數時，榴彈的二維方案圖在系統界面上實時生成的。

2)三維建模分為零件建模、自動裝配和模型預覽，建立引信、彈頭部、圓柱部、彈尾部、彈帶和裝藥的模型，再自動裝配成榴彈模型，模型預覽可以查看各個零件和榴彈裝配體的三維模型以及它們的1/2和1/4剖視圖。

3)材質賦予是給引信、彈體、彈帶和裝藥設置材料參數。

4)質量特性分析是對榴彈裝配體進行質量特性分析，得到全彈質心位置、極轉動慣量及赤道轉動慣量等參數，并將分析結果顯示在交互界面上。

5)結構特征數計算是通過對彈丸相對質量Cm、炸藥相對質量Cω、炸藥裝填系數α及彈體相對壁厚λδ進行計算檢驗，判斷其是否在合理范圍內。

6)氣動參數預估是通過工程算法完成預估，得到相關的氣動預估結果，來判斷榴彈的穩定性。系統功能結構如圖2所示。

7)結構參數優化是通過對榴彈的結構特征數和飛行穩定性進行計算，找到適合的結構參數滿足其條件。

1.3 數據管理

數據管理是系統的底層結構，主要功能是對系統各功能模塊提供數據支撐。XML(可擴展標記語言)作為一種半結構化語言，具有良好的信息表達功能，因此在信息交換、數據存儲及異構數據集成方面擁有廣泛的應用前景，并成為當前互聯網上信息交換的主要標準[8]。根據系統工作流程，分析各功能模塊的數據輸入輸出關系和各功能模塊之間的數據傳遞關系，以XML文件形式實現數據的保存、提取、查詢等功能。數據管理如圖3所示。

1.4 系統工作流程

系統的工作流程圖如圖4所示。

2 系統開發的關鍵技術

在系統開發的過程中涉及到的主要關鍵技術有榴彈結構參數抽取、參數驅動的實時二維方案圖形構建、三維模型的生成及裝藥模型自動生成。

2.1 榴彈結構參數抽取

系統根據榴彈結構參數，生成用于榴彈參數化建模的參數化模型參數，該參數將用于系統的其他模塊中。榴彈結構由引信、彈頭部、圓柱部、彈尾部、彈帶等部分組成，榴彈的參數化模型如圖5所示。

榴彈結構參數與參數化模型參數對應如表1所示。

表1 參數化模型參數與榴彈結構參數對應關系

榴彈彈頭部類型較多，以圓弧形母線為例，彈頭部參數化模型如圖6所示。

彈頭部的圓弧母線的坐標(a,b)以及母線半徑ρ可由式(1)、(2)、(3)求出：

(1)

(2)

(3)

式中，m=L2+L3+L4。

2.2 參數驅動的實時二維圖形構建

在交互界面上輸入榴彈結構參數后，基于QT的QPainter類繪制出關鍵節點，連接繪制出的點生成二維方案圖形。當交互界面上的QLineEdit(參數輸入框)參數修改后，傳遞一個editingFinished()信號給場景更新函數update()進行響應，實時驅動二維圖像更新。

繪制二維方案圖形模塊中需要輸入的榴彈結構參數部分如圖7所示。在對話框內輸入對應參數后，交互界面上實時更新榴彈二維方案圖，如圖8所示。

2.3 三維模型的生成

UG的Journal功能可以自動記錄交互環境下的用戶的操作，并生成相應的VB.NET、JAVA、C#、C++代碼，隨后可以進行編輯和重放[9-10]。

榴彈三維模型的生成通過使用UG的Journal功能在建模環境中進行操作錄制，無法錄制的功能通過調用UG/OPEN API函數實現。例如本文中關于創建直線的代碼如下:

NXOpen::Line *line1;

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

裝配榴彈的代碼如下：

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);

將零件建模、整體裝配、材質賦予等功能編寫成函數發布成exe文件。榴彈結構參數通過回調函數與exe文件進行關聯，完成建模、裝配、材質賦予等任務。

2.4 裝藥模型自動生成

榴彈內部裝藥模型是通過抽取榴彈內壁的曲線通過旋轉命令來自動生成。如抽取曲線的命令代碼如下：

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);

藥柱的長度為L3+L4+L5+L6-L7、半徑為R7，生成的三維模型如圖9所示。

3 榴彈特征參數分析

3.1 榴彈質量特性分析

在質量特性分析模塊中，可以分析各部件的質量，也可以分析全彈質量、質心位置、極轉動慣量、赤道轉動慣量等質量特性，得到的結果參數用于榴彈結構特征數和氣動參數計算。在設置引信、裝藥、彈體及裝藥的材質參數后，進行質量特性分析。圖10為質量特性分析。

3.2 榴彈結構特征數計算

榴彈對目標的破壞能力隨彈丸的大小和結構的不同而有所差異，一般通過結構特征數的相互比較來反映不同彈丸威力的大小[11]。通過對設計的彈丸進行結構特征數計算，判斷榴彈結構的合理性。通常采用的結構特征數有彈丸相對質量Cm、炸藥相對質量Cω、炸藥裝填系數α及彈體相對壁厚λδ：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：m為彈丸質量(kg)；d為彈徑(dm)；ω為炸藥質量(kg)；δ為壁厚(dm)。

榴彈結構特征數取值范圍如表2所示。

表2 榴彈結構特征數取值范圍

3.3 氣動參數預估

通過對榴彈進行氣動參數預估，得到阻力系數、升力系數導數、俯仰力矩系數導數等參數。根據氣動力參數計算榴彈的陀螺穩定因子S和動態穩定因子Sd，判斷榴彈的飛行穩定性。氣動計算所需的彈體結構參數和質量特性參數從數據文件中讀取。需要的飛行條件參數：馬赫數、攻角、海拔、空氣密度、空氣溫度等，如圖11所示。

陀螺穩定因子S表示急螺穩定性，急螺穩定性條件為S>1；滿足動態穩定，即Sd(2-Sd)>1/S是彈丸穩定的充要條件。

(8)

(9)

式中：d為彈徑(dm)；C′y為升力系數導數；m′y為馬格努斯力矩系數導數；m′zz為赤道阻尼力矩系數導數;Jx為彈丸極轉動慣量(kg·m2);Jy為彈丸赤道轉動慣量(kg·m2);η為火炮纏度；h為彈丸質心至空氣阻力中心的距離(m)；kmz(M)為翻轉力矩的速度函數；g為重力加速度。

4 榴彈結構參數優化設計

榴彈結構參數優化需要飛行性能與結構特征數達到最佳匹配，飛行性能主要基于氣動參數預估結果計算陀螺穩定與動態穩定因子，與裝填系數進行匹配，獲得合適的結構參數。DOE方法是研究與處理多因素試驗的一種科學方法，通過設計正交表分析各種因素之間的相互作用，通過一系列的試驗確定最優方案[12]。榴彈結構參數優化設計過程采用DOE方法，找到最佳的結構參數，滿足榴彈結構特征數和飛行穩定性的設計要求。

4.1 試驗指標和試驗因子

正交試驗方案以彈丸的裝填系數α作為試驗指標，以A代表彈頭部長度、B代表圓柱部長度、C代表彈尾部長度、D代表彈壁平均厚度作為試驗因子。

4.2 試驗設計

4個試驗因子影響著榴彈的裝填系數，每個試驗因子包含3個水平，所以采用L9(34)正交試驗表進行設計試驗。

5 實例測試

針對所設計的105 mm爆破榴彈為例，圖12為105 mm爆破榴彈的三維模型。

對105 mm爆破榴彈的飛行穩定性和裝填系數計算得S為2.4、Sd為1.23、α為7.4%。所設計的榴彈滿足飛行穩定條件Sd(2-Sd)>1/S，但裝填系數α偏低，需要對榴彈的結構參數進行優化，提高榴彈的裝填系數。DOE方法優化中采用的4因子3水平的全因子實驗設計如表3所示。

表3 試驗因子水平表 mm

采用L9(34)正交試驗表設計的試驗方案如表4所示。

表4 正交試驗方案表

對以上9組試驗方案進行參數化建模并對榴彈的結構特征數和飛行穩定性計算，統計試驗結果如表5所示。

表5 試驗結果統計表

由于爆破榴彈側重爆破，炸藥威力大，所以選擇裝填系數較大的方案。從表5中可以發現，方案9的裝填系數為13.7%，相比于原設計方案的7.4%大幅提高，且榴彈滿足飛行穩定條件，所以選擇方案9作為105 mm爆破榴彈設計方案。

6 結論

筆者在榴彈設計理論研究的基礎上，將參數化建模與榴彈設計相結合，設計開發出榴彈結構參數化設計系統。根據系統總體方案闡述了榴彈參數化設計所涉及關鍵技術的實現方法和過程。系統以參數驅動實時更新榴彈二維方案圖，同時借助UG二次開發工具實現榴彈三維自動建模、自動裝配、質量特性分析等功能。利用工程算法對榴彈的結構特征數和飛行穩定性進行計算，以此來判斷榴彈方案的合理性，并對榴彈結構參數采用DOE方法進行優化，選擇合適的結構參數。該系統的構建為今后相關榴彈參數化設計平臺的開發和復雜模型的參數化設計提供了參考。