朱博文，高躍飛，王月桐，劉 松

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

槍管作為自動武器中主要的零部件之一，是完成武器射擊的基本零件。槍管結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)膛錐數(shù)、線膛結(jié)構(gòu)和槍口形狀等結(jié)構(gòu)特征，這些特征將會根據(jù)選擇的不同，產(chǎn)生多種多樣的槍管結(jié)構(gòu)形狀，勢必會給槍管建模及后續(xù)的仿真增加難度。目前槍管設(shè)計主要是應(yīng)用CAD軟件完成三維實體建模等工作，后續(xù)通過CAE軟件模擬仿真完成諸如槍管模態(tài)分析等方面的工作，并利用仿真結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。但目前結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真是相對獨立的兩個軟件系統(tǒng)，難以有效進(jìn)行CAD和CAE模塊之間的數(shù)據(jù)交換等工作，使槍管的設(shè)計與分析過程增加了不必要的麻煩。

為了更好地實現(xiàn)CAE輔助CAD設(shè)計，筆者在UG平臺上，利用UG參數(shù)化建模技術(shù)和二次開發(fā)專有模塊[1-3]，依據(jù)槍管設(shè)計與分析的設(shè)計流程，開發(fā)了面向槍管設(shè)計分析全流程的CAD/CAE集成系統(tǒng)。真正實現(xiàn)了“設(shè)計-分析-修改-優(yōu)化”的閉式循環(huán)設(shè)計流程[4]，協(xié)助設(shè)計人員在UG 環(huán)境下快速進(jìn)行槍管結(jié)構(gòu)設(shè)計并驗證設(shè)計方案，極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架

軟件總體構(gòu)架為典型的4層體系結(jié)構(gòu)，包括用戶層、應(yīng)用層、驅(qū)動層及數(shù)據(jù)層，如圖1所示。

數(shù)據(jù)層存儲了制式槍管模型庫，并適時管理設(shè)計過程中的用戶信息與設(shè)計參數(shù)、任務(wù)文件與臨時數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)模型及仿真數(shù)據(jù)。

驅(qū)動層是通過軟件接口，在商用UG軟件中，調(diào)用相關(guān)功能模塊，并嵌套到本系統(tǒng)中，完成槍管結(jié)構(gòu)設(shè)計計算、參數(shù)化建模及有限元分析，并對其產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，達(dá)到對這些軟件的封裝與集成。

應(yīng)用層是軟件的主要業(yè)務(wù)邏輯層，也就是軟件各功能模塊的所在。主要包含了設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析等。

用戶層是軟件的交互層，用戶在UG軟件下，通過菜單項或?qū)υ捒?，可調(diào)用并執(zhí)行相應(yīng)的功能模型。

1.2 開發(fā)流程

槍管設(shè)計分析一體化系統(tǒng)主要包括具有參數(shù)化建模功能的實體建模模塊和具有自動仿真功能的模擬仿真模塊兩大部分。

首先,需根據(jù)槍管設(shè)計要求提取相關(guān)設(shè)計參數(shù)，為后續(xù)設(shè)計提供依據(jù)，之后依次進(jìn)行內(nèi)膛和外形的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)的選擇，確定槍管實體模型。以此槍管設(shè)計流程為基礎(chǔ)，建立槍管參數(shù)化模板模型，開發(fā)完成實體建模模塊。

為實現(xiàn)槍管模擬仿真模塊的自動化，筆者利用NX的二次開發(fā)工具包和特征擴(kuò)展功能，定制開發(fā)槍管仿真模板，完成自動仿真功能。開發(fā)流程如圖2所示。

2 開發(fā)工具及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 UG二次開發(fā)工具

UG/Open 是UG二次開發(fā)工具的總稱，主要由二次開發(fā)語言模塊UG/Open Grip、UG/Open API及二次開發(fā)輔助工具UG/Open MenuScript、UG/Open UIStyler等組成[5,6]。

UG/Open Grip和UG/Open API是UG二次開發(fā)中運用的專有開發(fā)語言，都具有外部高級語言如C#、C++等的接口。但相對來說，UG/Open API使用豐富的C語言，功能和數(shù)據(jù)傳遞上具有更大的靈活性。利用UG/Open API可以建立與原UG軟件應(yīng)用程序的鏈接，使新開發(fā)的功能可以與原有功能無縫集成[7]，在實踐中應(yīng)用廣泛。

輔助工具UG/Open MenuScript和UG/Open Block UIStyler為UG開發(fā)用戶菜單、界面提供了有效支持。NX的UI Styler應(yīng)用模塊為用戶提供了可視化建立NX風(fēng)格對話框的功能，使用此模塊設(shè)計NX風(fēng)格的對話框，能方便地與UG數(shù)據(jù)模型進(jìn)行交互操作。

通過建立特定格式(.men)的文件，設(shè)計嵌入UG軟件的菜單。菜單使用腳本語言編制，語法簡單，用戶可以方便地對菜單進(jìn)行編制。設(shè)計完成后的對話框和菜單分別如圖3、4所示。

2.2 參數(shù)化建模技術(shù)

在進(jìn)行參數(shù)化建模時，需事先建立參數(shù)化模板，后續(xù)通過代碼或表達(dá)式等來驅(qū)動模型變化，達(dá)到參數(shù)化建模的目的。

槍管模型除了需包括矩形、梯形、圓形等6種傳統(tǒng)膛線形狀外，還增加了新型梯形膛線和無膛線兩種膛線結(jié)構(gòu)。另外，有3種結(jié)構(gòu)特征的開膛槽、4種彈膛結(jié)構(gòu)的彈膛椎體和6種特征的槍口形狀。

綜上所述，要設(shè)計出滿足基本要求的槍管，需要建立共576(8×3×4×6)種參數(shù)化模板，來驅(qū)動模型完成槍管設(shè)計。如果按傳統(tǒng)方法對槍管進(jìn)行建模，不僅工作量巨大，而且將會占據(jù)大量的內(nèi)存，不利于軟件運行。

根據(jù)UG本身具有的功能，決定采用表達(dá)式抑制特征的方式建立模板，將多個類型的結(jié)構(gòu)集成于一個模型下進(jìn)行操作，這樣解決了模板數(shù)量巨大的問題。

UG中的抑制特征，是將模型中的某一特征臨時移除，可使用表達(dá)式完成抑制特征的功能,如圖5所示。通過表達(dá)式抑制的方法建立參數(shù)化模板，即可將同一特征的不同類型形狀集中在一個建模環(huán)境中，例如膛線類型、槍口形狀等，最后可將這幾百種槍管參數(shù)化模板合成一個，這將大大節(jié)約程序的可操作空間和槍管模板庫，在其他結(jié)構(gòu)設(shè)計中也具有推廣意義。

2.3 自動仿真

實現(xiàn)CAE仿真主要通過手動添加材料屬性，之后加載載荷和約束后，求解得到仿真結(jié)果。它雖然可提高虛擬仿真水平和設(shè)計效率，但仍需要人為的識別約束位置和載荷添加等。筆者利用UG二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)槍管仿真過程的自動化，在仿真界面提前輸入仿真參數(shù)，只需一鍵即可完成仿真過程。

2.3.1 模型前處理

槍管是一個具有復(fù)雜內(nèi)膛結(jié)構(gòu)與外部形狀的管形構(gòu)件，即使只考慮內(nèi)壓和外壓作用，要精確分析槍管壁內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變也是很困難的。在處理機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計問題時，常常要對某些承載結(jié)構(gòu)加以分析，并作必要的簡化與假設(shè)。

槍管內(nèi)膛復(fù)雜的膛線結(jié)構(gòu)對網(wǎng)格的劃分和載荷的添加帶來很大不便，而膛線結(jié)構(gòu)主要影響內(nèi)膛疲勞強(qiáng)度，對管壁強(qiáng)度影響不大，因此在管壁強(qiáng)度分析中可忽略膛線結(jié)構(gòu)，以陰線直徑為槍管內(nèi)徑作簡化處理。

槍口形狀對槍管仿真分析影響不大，而且對網(wǎng)格劃分帶來不便，在設(shè)計過程中，去除膛線時，同時去除槍口形狀。

筆者利用表達(dá)式抑制特征進(jìn)行參數(shù)化建模的優(yōu)勢，通過表達(dá)式的改變來完成模型的前處理。利用表達(dá)式抑制模型的槍口形狀及膛線結(jié)構(gòu)，通過上述代碼去除膛線和槍口形狀后的模型如圖6所示。

2.3.2 新建材料與劃分網(wǎng)格

新建材料所需的參數(shù)：密度、楊氏模量、泊松比、屈服強(qiáng)度?？紤]溫度影響時，輸入的材料力學(xué)參數(shù)為隨溫度變化的曲線數(shù)據(jù)，以“字段”方式添加。

本部分技術(shù)難點是如何通過代碼來確定材料參數(shù)及數(shù)據(jù)的輸入。通過錄制相關(guān)函數(shù)，并提取所輸入的相關(guān)參數(shù)，通過界面加以驅(qū)動和更新，達(dá)到各參數(shù)的輸入。

其余材料屬性同材料密度的設(shè)置相同，UG軟件本身材料添加須有屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等，不需要的材料屬性均不必理會，系統(tǒng)會采取默認(rèn)。

2.3.3 添加約束與載荷

約束與載荷的添加都需要與特征面進(jìn)行交互，并且對槍管來說，載荷的添加更加復(fù)雜。

槍管所受內(nèi)壓載荷采用強(qiáng)度計算中的平均壓力曲線或高低溫壓力曲線，載荷方向垂直管壁表面，無軸向力作用。在UG有限元分析中，壓力載荷可通過“2D單元或3D單元面上的法向壓力-空間”載荷類型添加到內(nèi)膛表面。載荷數(shù)據(jù)文件為文本文件，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為以長度為第1列數(shù)據(jù)的x2矩陣，數(shù)據(jù)文件通過“字段”導(dǎo)入模型。

施加約束與載荷，約束界面如圖7所示，雖然通過手動方式添加約束及載荷較為直觀，但是較為繁瑣，仍達(dá)不到自動化的程度。采用代碼可實現(xiàn)自動化，但對于約束面及載荷面的選擇就尤為重要。

在建模過程中，通過給定所需面一定意義的名稱，后續(xù)通過UF_OBJ_cycle_by_name_and_type遍歷對象的名稱和類型確定各面。通過Create-BcBuilderForConstraintDescriptor等函數(shù)對各面施加約束等，完成放置模型的自動化設(shè)置。

完成仿真模型設(shè)置以后，用戶通過對話框?qū)ι鲜霾牧蠈傩缘葏?shù)進(jìn)行更改，通過求解命令，完成整個仿真求解過程，實現(xiàn)槍管的自動化仿真。

3 實例

以某6.72 mm型號自動步槍[8]為例，啟動UG/NX軟件，選擇如圖3所示菜單選項，彈出圖4對話框；依據(jù)左側(cè)向?qū)?，按照順序依次完成參?shù)輸入、內(nèi)膛設(shè)計、外形設(shè)計的數(shù)據(jù)輸入；數(shù)據(jù)輸入完成后，即可進(jìn)行對槍管的強(qiáng)度校核和匹配檢查；校核完成，符合要求后，可生成槍管模型，并在仿真分析框中進(jìn)行仿真分析，對話框如圖8所示。

進(jìn)行仿真分析之前，點擊“模型處理”按鈕，完成模型的前處理；之后輸入網(wǎng)格參數(shù)和材料參數(shù)，通過選擇特定格式的膛壓數(shù)據(jù)文件完成載荷的添加；點擊“求解”按鈕，完成整個設(shè)計分析過程，仿真結(jié)果如圖9、10所示。

經(jīng)過本軟件對生成的模型與原有模型進(jìn)行對比，可知生成的模型符合槍管設(shè)計要求，與原有模型尺寸差別可忽略不計。仿真結(jié)果與原有仿真結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn)，槍管仿真后槍管最大、最小變形量和最大應(yīng)力點基本一致，滿足設(shè)計人員對槍管分析的基本要求，具有參考價值。

4 結(jié)束語

筆者對基于UG/NX平臺的槍管設(shè)計分析一體化系統(tǒng)進(jìn)行了分析和討論，利用UG本身功能和二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)槍管CAD設(shè)計與CAE仿真模型的一體化集成，使槍管設(shè)計與分析完全集成于UG環(huán)境中，有效地節(jié)省手動建模時間及常規(guī)仿真的繁瑣步驟，并通過實例驗證了該系統(tǒng)的可行性和實用性，為其他零件的設(shè)計分析一體化集成提供了參考。

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