节制杆式制退机参数化设计及优化

刘启航，徐亚栋，羊 柳

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

制退机是火炮关键部件之一，其结构设计过程受到火炮总体方案设计的影响经常反复，参数化设计和优化设计可以有效提高设计效率和设计性能。在参数化设计和结构优化设计方面，国内外学者开展了大量的研究。文献[1]基于I-DEAS Master Series软件实现了节制杆式制退机的参数化设计；文献[2]以装配约束集和装配方程组为基础, 建立了火炮总体结构设计框架和参数化的火炮总体结构模型, 成功完整地实现了火炮总体结构的参数化设计；文献[3]建立托架结构有限元模型，对某自行火炮托架进行刚强度分析和结构优化；文献[4]对炮口制退器进行了结构优化，有效提高了炮口制退器的效率。笔者将参数化技术和优化技术应用于火炮制退机的设计并开展研究，阐述了参数化建模的过程，对制退机的结构进行优化，将优化后的结构参数输入到参数化模型中，快速生成新的三维模型。

1 制退机参数化设计

参数化是以约束来表达产品模型的形状特征，以一组参数来控制设计结果，从而能通过变换设计参数来实现产品模型的更改或相似产品模型的创建[5]。参数化是实现零部件通用化、标准化、系列化的重要手段，目前得到了广泛的应用，但是在军工领域应用较少。笔者基于Pro/E二次开发工具Automation Gateway和VB开展火炮制退机参数化设计研究。

1.1 参数化设计过程

参数化设计思路是在Pro/E环境中绘制制退机的零件模型(包括制退筒、制退杆、节制杆、节制环、活塞等)，组建一个零件库。建立模型过程中，需对零件进行结构分析，建立正确的参数关系和尺寸约束，提取出重要的尺寸作为设计参数，通过VB程序建立参数化模型。设计人员获取设计任务以后，按照设计需要调用已有零件，按照分析计算结果输入数据，程序按照输入数据对相关的参数进行赋值，实现三维模型的快速修改和重生。其示意图如图1所示。

在对零件进行参数化时，应当先分析零件的结构特点，根据对象的尺寸大小、相互关系，建立尺寸集合，确定其主要参数及外界的接口尺寸[6]。在选取设计参数时，只需将反映零件主要结构特征的关键尺寸留作设计参数，将一些次要的尺寸舍去。这样在保证正确反映零件主要结构的同时，简化用户界面，减少工作量。Pro/E中参数的产生有两种情况：

1)在建模的过程中，系统默认以dx(如d0,d1,d2，…，dn)形式给相关尺寸分别命名，保证每个尺寸的唯一性。

2)利用Pro/E中的参数功能创立的参数，再通过关系式模块(Relation)与系统自定义参数建立关系式。参数化的任务就是改变这些参数的大小，以及通过他们建立的驱动和约束关系来改变模型。要实现这个目的，需要关系式模块建立参数驱动关系，以保证生成的新模型具有正确的约束和驱动关系[7]。同时在VB中建立的参数应与Pro/E中参数保持一致或满足一定的函数关系，由此驱动程序完成模型中对应参数的更改，否则会找不到对应目标参数，导致无法完成设计任务。

1.2 程序设计

Automation Gateway是一款针对Pro/E的二次开发软件。与Pro/E的其他二次开发软件相比，它具有简单、方便的优点。它是Pro/E与VB之间的纽带，实现了Pro/E与VB的数据传递。通过Automation Gateway，VB可以访问Pro/E的底层资源，也可以将VB中的数据通过程序导入Pro/E，实现数据的双向流动。VB程序的编写步骤如图2所示。

以制退筒参数化程序为例：

Public ztt As New GWayAX

Private Sub Command1_Click()

Dim rg1 As Long

Dim rg2 As Long

......

ztt.ModelRetrieve(“…prt1.prt”)

ztt.SessionSetCurrentModel(“…prt1.prt ”)

rg1=ztt.ParamSetValue(“d90”,Text1.Text)

rg2=ztt.ParamSetValue(“d85”,Text2.Text)

……

ztt.ModelRegenerate

End Sub

2 制退机结构优化

笔者优化的制退机部件包括制退筒、制退杆以及节制杆。制退筒和制退杆的优化可以减小制退机的径向尺寸；节制杆外形的优化可以有效减小最大后坐阻力，改善架体的受力，提高火炮的稳定性。在进行优化之前，需要分析复进机和制退机的结构特点以及受力情况，研究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，建立动力学分析模型，基于四阶龙格-库塔法(Runge-Kutta)解得最大后坐阻力FRmax以及运动诸元。建立优化模型，结合ISIGHT软件求解优化模型，实现制退机的结构优化。

2.1 优化模型

驻退机的工作原理决定了制退筒的内径D和制退杆的外径dT对其他结构参数的变化会产生影响，因此选取D和dT作为设计变量[8]。约束条件由制退杆强度和节制杆稳定性条件决定，同时，在优化过程中，D和dT的变化范围应当在制退筒外径和制退杆的内径之间。目标函数是为了减小制退机的径向尺寸，使结构更加紧凑。建立的优化模型如下：

对节制杆的外形的优化，实际上是为了减小最大后坐阻力，得到更加理想的后坐阻力曲线。笔者建立的优化模型如式(2)所示，选取各折点处的直径为设计变量，其取值如表1所示；在优化过程中应保证后坐长度小于最大后坐位移，因此将后坐位移S的上限设置为约束条件；优化目标为最大后坐阻力FRmax最小以及后坐位移S在约束范围内最大。

Minimize:FRmax,-S

where,dx=(dx1,dx2,…dx11)T

(2)

s.t.dxmin≤dxi≤dxmax,(i=1,2,…,11)

S≤Smax

式中：dxmin，dxmax分别为节制杆直径的下限和上限。在确定节制杆的直径时，应当注意避免节制杆的根部与节制环卡滞，应使dx≤dp-2 mm，此dxmin和dxmax的大小由节制杆的节制杆的最小直径和dp决定。FRmax和S是由动力学模型计算得到的。

表1 S -d取值

2.2 优化算法和优化过程

制退筒内径D和制退杆外径dT优化时，利用MATLAB编写计算过程，结合ISIGHT，选取多岛遗传算法(Multi-Island GA)对模型进行优化。对节制杆外形优化时，由于目标函数值FRmax和约束条件函数值S都是通过动力学模型的数值求解直接得到，很难获得与设计变量相关的函数关系和函数的梯度信息[9]，所以先选用多岛遗传算法进行计算，再将多岛遗传算法得到的优化解作为序列二次优化算法(NLPQL)的初始值进行优化求解，这样既避免得到局部最优解，又减少了优化的时间。

3 实例

3.1 优化实例

利用MATLAB和ISIGHT建立优化模型，选取多岛遗传算法(Multi-Island GA)对某大口径火炮制退机的制退筒和制退杆进行优化，选取目标函数f的最小值点f=2.01×10-5作为优化解，优化结果如表2所示。

表2 优化结果

对某大口径火炮节制杆外形的优化，需利用MATLAB建立动力学分析模型，采用多岛遗传算法和序列二次优化算法相结合进行优化求解。序列二次优化过程如图3，可看出其优化过程收敛，得到的优化结果与优化前的初值对比如表3。

表3 优化结果

根据优化结果计算得到的后坐阻力曲线如图4所示。由图可知，优化效果比较明显，经过优化得到的最大后坐阻力变小，且后坐阻力曲线更加平滑，充满度更好。

3.2 参数化实例

以节制杆为例，说明参数化设计的应用过程。

首先进入用户界面，针对节制杆，选取的设计参数主要是节制杆工作段各圆锥段的水平长度和半径，以及两端装配用的圆柱长度和半径(如图5)。将节制杆从零件库中调出，根据上述得到的优化结果，对相应的参数进行赋值，点击创建，程序自动完成零件的修改和重生。新生成的节制杆模型如图6所示。

如果对参数化的结果不满意，可以在用户界面重新修改设计参数，生成新的模型，如此反复，直到满意为止。

4 结束语

笔者采用Pro/E二次开发工具Automation Gateway与VB编程相结合，实现了制退机的参数化建模，并以节制杆为例，阐述了参数化设计的具体过程，结果表明参数化能有效提高设计效率，减小设计周期。同时，对制退机的节制杆、制退筒、制退杆等结构进行了优化，优化效果明显，制退机的结构优化有助于减小架体受力，提高火炮的稳定性和射击精度。

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