面向非致命效应的防暴弹虚拟设计研究

秦华杨　刘春来

摘 要 为了减少防暴弹设计成本，缩短研发周期，本文提出了面向非致命效应的防暴弹虚拟设计技术。在虚拟现实环境下，通过Visual C++6.0对SoIidWorks进行二次开发，实现了防暴弹结构的虚拟设计；根据防暴弹的不同作用方式，构建不同的效能评估系统，对其非致命效应进行仿真评估。简述了虚拟设计系统的总体构成，以及设计过程和系统的实现方法。通过虚拟设计系统进行结构设计，构建动能弹虚拟实验平台，进行非致命效能评估。实践证明，这种方法能够有效提高设计效率，具有良好的应用前景。

关键词 虚拟设计 非致命效应 防暴弹

中图分类号：TJ413.9 文献标识码：A

防暴弹作为武警部队处置突发事件的重要武器已被广泛应用，尤其在处置大规模群体性事件中发挥着重要作用。传统的防暴弹设计，一般是根据经验公式确定初步方案，然后设计结构，加工样弹，再进行试验。若实弹试验不合格，再修改设计方案，重新加工试验，直到满足要求为止。这样的设计不仅设计研发周期长、费用高，而且防暴弹的性能等其他因素难以控制。本文提出了一种面向非致命效应的防暴弹虚拟设计方法，在完成防暴弹的设计方案后，将模型载入虚拟设计系统中进行装配操作仿真、非致命效应仿真，检验所设计的防暴弹的装配性、可操作性、安全性和实用性，为设计方案的进一步完善提供依据，避免通过物理“样弹”进行验证，减少设计成本和缩短产品的开发周期。

1防暴弹虚拟设计系统

1.1虚拟设计系统总体构成

防暴弹虚拟设计系统总体结构主要包括虚拟设计环境、系统的模型处理、虚拟装配、非致命效应仿真和产品开发过程管理五个功能模块，通过虚拟设计环境将虚拟装配、非致命效应仿真以及非致命效能评估等功能模块集成。产品开发过程管理模块为整个过程提供支持，模型处理模块实现虚拟设计系统和CAD软件的数据转换，各模块功能如下：

（1）制造模拟功能模块。在虚拟设计环境中提供虚拟制造设备，进行零件加工模拟，计算加工工时和制造成本以及评价零件的可加工性，根据加工模拟的结果分析零件的设计合理性，根据修改意见及时对零件模型进行修改。

（2）模型处理模块。通过对SolidWorks模型的后期处理生成系统支持的文件格式，在虚拟设计系统中设计相应的文件载入功能，使系统具有更多的模型支持。

（3）虚拟装配功能模块。在SolidWorks环境中建立防暴弹的零部件模型后，通过二次开发的模型信息提取模块，对模型进行特征提取并进行保存。在虚拟环境下进行装配模拟，检查各零件的设计缺陷和结构的不合理性，制定出正确的装配工艺文件。

（4）设计评价功能模块。将非致命效应的效能评估体系程序化，通过交互界面方式由用户选择评估项目并输入模型参数，实现对不同设计方案的比较。

2虚拟设计系统的设计实现

2.1系统的设计流程

防暴弹虚拟设计系统采用了高级跨平台开发环境WTK9.0为虚拟现实工具包，选用SolidWorks2010作为防暴弹零部件的建模工具，采用Visual C++6.0为系统开发平台。根据选择的系统开发工具，对系统的各功能模块进行实现。“样弹”模型使用SolidWorks2010创建，再通过模型数据处理功能对模型进行数据转换，生成符合虚拟设计系统要求的模型。通过Visual C++6.0对SolidWorks2010进行二次开发，以动态连接库文件的形式实现数据处理。充分使用SolidWorks的建模环境和API函数，生成脱离SolidWorks2010环境的文件，对模型按照特征和几何面进行三角化离散，实现模型几何数据和拓扑信息的提取和保存。在虚拟环境中，根据防暴弹的不同作用形式，选用不同的软件系统，对模型进行非致命效应仿真。利用通过Visual C++6.0和WTK9.0实现虚拟设计系统的各功能模块。

2.2 SolidWorks及其内嵌插件的功能应用

（1）CAE模块。可以进行电磁分析、流场分析和结构强度分析，可以实时地针对分析结果对模型进行优化。

（2）仿真模块。可以将防暴弹爆炸产生的作用效果转换成载荷，无缝传入仿真模块进行应力分析，从而能直观显示零部件在某个时间点或整个仿真周期内的应力和位移。通过SolidWorks丰富的API接口，运用Visual C++6.0对SolidWorks进行二次开发，实现复杂爆炸效应的模拟仿真。

（3）CAM模块。以插件的形式能实现与SolidWorks的无缝连接，能对SolidWorks的设计结果进行加工特征的自动识别和提取，自动生成刀具运行轨迹的NC数据并传给加工中心，由加工中心来完成防暴弹零件的实际加工。

2.3防暴弹非致命效应分析

防暴弹药有不同的作用形式，比如产生烟雾、脉冲噪声、刺激剂等，发烟弹和催泪弹的作用方式都是释放烟雾，不同点是它们产生的烟雾是否有刺激作用，也就是说上述两个弹种的控制重点是烟雾的控制。爆震弹是通过脉冲噪声作用于目标的，它的控制的重点是要确定距炸点不同距离上的声压级。动能弹是利用弹丸的动能作用于有生目标，它控制的重点是确定不同距离上弹丸的比动能。

3结论

本文分析了虚拟设计技术在武器开发中的重要意义，提出了面向非致命效应的防暴弹虚拟设计技术，构建了防暴弹的虚拟设计系统。通过构建非致命效益评估平台，对设计出的不同的弹种采用不同的评估指标，进行非致命效益和战技指标测试。研究表明，该系统不仅可以大大缩短了产品的设计周期，减少了产品的设计费用，而且减少物理样机试验，有效地提高了防暴弹设计的效率。