基于Open CASCADE的导弹轻量化几何参数化建模*

蒋孟龙，刘 莉，齐竹昌，李学亮，龙 腾

(1 北京理工大学宇航学院，北京 100081;2 中国兵器工业第203研究所，西安 710065)

0 引言

导弹的几何外形与导弹的质量、射程、飞行时间、鲁棒性、毁伤、脱靶率、存活率、花费及发射平台的尺寸和质量等因素密切相关［1］。因几何外形关系重大，在导弹概念设计阶段，需对其不断地进行调整，以求获得满足设计指标的最优几何外形。人为重制导弹模型则工作量巨大，限制了导弹总体设计的研发效率。若在导弹设计中引入参数化建模技术，利用设计参数来控制已有模型更新，可以有效减少重复性操作，从而提高导弹的总体设计效率。

在航空领域，国外利用参数化建模技术已成功应用于飞行器整体的几何建模［2-4］。而国内在航空领域对参数化建模技术的运用是从机翼参数化［5-7］到整机参数化［8-10］渐进发展的，并且多运用于飞行器性能的优化设计［11-14］。

但国内航空领域内参数化建模全部依赖于对传统商业几何造型软件(如UG、Pro/E和CATIA等)的二次开发，没有为导弹总体设计量身定制的几何造型软件，将几何模型用于学科性能分析时，常需进行几何模型数据格式转换而不能直接使用原有数据格式。因此，文中在研究了导弹几何外形参数化命名规则和开源的Open CASCADE三维造型技术之后，提出了一种新的适用于导弹概念设计阶段的导弹几何外形参数化建模方法并完成了原型工具包的开发。该方法可以实现常规导弹几何外形模型的参数化建模和尺寸更新，并能与相关性能分析软件实现无需数据格式转化的文件交互，提高了导弹总体优化设计的效率。

1 轻量化导弹几何外形参数化描述

轻量化导弹几何外形参数化描述，即忽略具体细节(如内部结构等)仅对导弹基本几何特征进行描述。结合实际建模的具体需求，文中将导弹划分为弹身、弹翼和翼身衔接三部分进行描述。

1.1 弹身参数化

弹身又可以分为弹身头部(下文简称弹头)、弹身中部和弹身尾部(下文简称弹尾)三部分。

弹头可分为4类:球冠形、圆锥形、椭球形和二次曲线形(如图1所示)。球冠形和圆锥形弹头可用Ln(弹头长)和Dn(弹头直径)描述，椭球形弹头可用an(椭球形弹头的长轴长)、bn(椭球形弹头的短轴长)和Dn来描述，二次曲线弹头则通过输入曲线方程及Dn来描述。

图1 弹头参数化

弹身中部按截面形状可划分为圆形截面和椭圆形截面两类。描述参数有圆形截面直径Dc，椭圆截面宽度W，椭圆截面高度H，椭圆形截面椭圆率E=H/W和弹身中部长度Lc。

弹尾与弹头类似，一般也可分为4种类型:圆柱形、船尾形、椭球形和裙摆形。圆柱形、船尾形和裙摆形弹尾可用Dt(弹尾截止直径)和Lt(弹尾长)描述，椭球形弹尾可用at(椭球形弹尾的长轴长)、bt(椭球形弹尾的短轴长)和Dt来描述。

1.2 弹翼参数化

弹翼描述由翼型和翼面组成，通过这两部分可以对弹翼进行完整描述。常见的翼型有六边形翼、菱形翼(六边形的特殊情况)、双弧翼和NACA翼。

以六边形翼为例，翼型的参数化描述如图2所示，参数描述如表1所示。

图2 六边形翼参数化

表1 六边形翼参数描述

翼面的参数化描述可统一采用如图3所示的参数进行定义(如表2所示)，对于多段翼，则每段均按此规则命名即可。

图3 翼面参数化

表2 典型翼面布局参数

1.3 翼身衔接参数化

要实现全弹参数化描述，除了确定弹身与弹翼参数化外，还需确定弹翼在弹身纵向、周向参数及其翼面(舵面)偏转角(图4)。

图4 翼身衔接参数化

2 导弹几何建模系统框架

导弹轻量化几何参数化建模系统是利用Open CASCADE成熟便捷的几何造型技术和Microsoft Visual Studio简洁完善的图形用户界面开发功能共同搭建完成的。其基本的系统框架如图5所示。

图5 导弹几何建模系统框架图

2.1 Open CASCADE导弹几何外形建模

Open CASCADE是由法国的Matra Datavision公司开发的开源3D几何造型内核，可无偿下载使用，是非营利性的。主要包括:基础类库、模块数据库、模型算法库、可视化类库、数据交换和应用框架类库［15］。同其他几何造型库一样，Open CASCADE的几何造型也是由点、线、面、壳和体5种基本数据组成。Open CASCADE采用C++语言开发，适用于Linux、Windows和 Sun Solaris三种操作系统［15］。

基于Open CASCADE绘制导弹的几何外形可以分为二维和三维几何体绘制及几何模型布尔操作三大部分。二维几何体主要包括弹头、弹身中部和弹尾母线的绘制及机翼的根翼和稍翼的绘制。三维几何体主要包括弹头、弹身中部和弹尾的成型和机翼的成型。布尔操作是指根据翼身衔接参数将弹身与弹翼进行连接从而得到全弹的三维几何模型的过程。

2.2 系统与性能分析软件的数据接口

为提高导弹轻量化几何参数化建模系统所建模型的通用性，除导出几何模型和存储导弹参数化信息外，还实现了与常规需要几何模型作为输入的性能分析软件之间的数据交互。系统本身支持IGES、Stl和Step等多种几何模型文件格式的导出功能，无需格式调整就直接能用于以几何模型为基础的性能分析软件，最大程度的保证了几何模型信息的完整性。

3 导弹几何外形参数化建模流程

导弹几何外形参数化建模流程如图6所示。

流程简述如下:

图6 导弹几何外形参数化建模流程图

第一，从导弹模型库中选取或新建需要进行参数化的导弹模型;第二，将导弹模型分解成弹身、弹翼和翼身衔接三部分;第三，对各部分进行参数提取;第四，将各部分的参数进行整合，形成该导弹模型的参数化模型文件并录入参数化导弹模型库;第五，修改或更新导弹模型参数，将新生成的导弹模型进行性能分析，若满足设计指标要求，则退出，若不满足，则重复修改模型参数。

4 应用实例

文中所研究方法具有以下两个优点:1)快速性，几何模型的构建时间仅为几秒钟;2)通用性，生成的导弹几何体能直接用于以导弹几何模型为输入的性能分析。下面以“硫磺石”导弹模型更新和气动性能计算为例，证明研究方法的快速性和通用性。

“硫磺石”导弹由球冠形弹头、圆柱形弹身中部、略收缩的圆柱形弹尾和8副(2组)成型布局的六角形弹翼组成。忽略弹上凸起物创建的导弹模型与真实模型对比如图7所示。

图7 导弹模型与真实模型对比图

表3 基准模型与改进模型的变量取值

按表3中粗体所示更新几何模型，因几何构型算法是以C++语言实现，速度快，整个模型重建过程仅需几秒，远小于人为重新绘制几何模型的时间。更改前后模型的对比如图8和图9所示。

如前述，文中所研究方法对导弹的几何模型有两种表述方式，即几何尺寸参数描述法和几何模型描述法两种。两种描述法能满足多数以几何模型为输入的导弹性能分析软件对模型的要求，进而直接进行性能分析，通用性强。以气动分析为例，选用DATCOM和FLUENT作为分析软件的代表，分别以几何尺寸参数导入DATCOM进行气动分析和将几何模型以Step格式直接导入FLUENT软件进行CFD气动性能分析，两种方法得到的升阻比随攻角变化曲线如图10所示，证明了所研究方法及开发工具包生成的导弹模型的通用性(假设导弹在海平面，以0°舵偏，0.5Ma的巡航速度飞行)。

图8 原型弹网格划分图

图9 改进弹网格划分图

图10 升阻比随攻角变化曲线

5 结束语

导弹的几何外形在导弹总体设计中占有重要的地位。文中通过对导弹几何外形系统化的参数描述，利用Open CASCADE的深入开发，提出了不依赖于任何商业几何构型软件的导弹轻量化几何参数化建模方法并开发了原型工具包。最后以类硫磺石导弹的模型更新与气动计算为例验证了该方法的实用性，为导弹总体概念设计中快速几何建模、模型更新和性能分析提供了一种新方法。

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