枪械回转式闭锁机构设计分析一体化软件设计与开发

魏志芳， 刘伟， 兰轩， 王志伟

(中北大学 机电工程学院， 山西 太原 030051)

枪械回转式闭锁机构设计分析一体化软件设计与开发

魏志芳， 刘伟， 兰轩， 王志伟

(中北大学 机电工程学院， 山西 太原 030051)

为了提高枪械回转式闭锁机构的设计质量与效率，将设计分析一体化思想引入设计过程中，研究并开发了回转式闭锁机构设计分析一体化软件。分析了闭锁机构设计过程，规划了软件应包括结构参数设计、零部件参数化建模、自动装配与干涉分析、机构动作分析、结构强度分析和数据管理等基本模块，提出了基于计算机辅助设计、工程和制造UG软件集成各计算程序及功能模块的软件总体框架。解决了软件集成框架设计与开发、UG/Open API函数调用、UG/MOTION/高级仿真模块应用及二次开发、数据管理与传递等关键技术，采用Visual Studio 2010编程工具，基于UG二次开发形成了回转式闭锁机构设计分析一体化软件。通过具体实例对软件的可行性及实用性进行了验证。结果表明，应用该软件能够使设计人员基于UG统一环境方便完成回转式闭锁机构的结构设计、参数化建模、计算校核与仿真分析等工作，缩短设计与分析之间的数据交换时间。

兵器科学与技术； 设计分析一体化； UG二次开发； 回转式闭锁机构； 软件开发

0 引言

闭锁机构的作用是：在枪械发射时关闭枪膛、抵住弹壳，以防止弹壳在高膛压时因后移量过大而发生横断和武器燃气后逸；在弹丸飞出枪口、膛压降到安全值后及时打开弹膛，以完成后续的自动循环动作。回转式闭锁机构是现代枪械系统中的常用闭锁机构，广泛应用于导气式和管退式武器[1]。

国内学者针对闭锁机构的设计与分析开展了研究并取得了一定成果。徐亮等[2]采用Visual Basic编程计算获得了发射过程中膛内压力的变化规律，在Adams中建立了枪机的刚柔耦合动力学仿真模型，获得了参数较优的改进方案。徐家凡等[3]通过计算机辅助工程HyperMesh软件对枪机和节套进行了前处理网格划分，再导入有限元ABAQUS软件完成了有限元建模与仿真，分析了闭锁间隙对闭锁面接触应力的影响。黄怀宇等[4]以反器材步枪闭锁机构为研究对象，运用计算机辅助设计、工程和制造(CAD/CAE/CAM)UG软件的运动分析和结构分析模块，分别建立了运动分析模型及强度分析模型，并对闭锁机构进行了优化设计。以上研究分别针对闭锁机构及其零部件的设计和分析展开，分别采用不同软件进行设计和分析，数据交换耗时，有时甚至出错，严重影响了设计效率。

设计分析一体化技术已在产品设计领域广泛应用[5]。Gujarathi等[6]采用数据库作为数据交换与共享中介，实现了参数化CAD/CAE一体化，通过编写程序进行CAD软件自动建模，提取与CAE相关的模型参数进行有限元分析。Ledermann等[7]利用 VBScript、APDL语言，实现了CAD/CAE/CAM一体化软件CATIA和有限元分析软件ANSYS之间的数据交换，完成了飞行器模型的有限元分析。Hurlimann等[8]利用CAD/CAE多学科一体化技术，对运输机翼箱结构进行了质量评估，对其结构设计的全过程进行了仿真。Hamri等[9]提出了混合形状表征，支持边界和多面体模型的表达，减少了CAD图形元素在导入CAE软件后图形信息丢失的数量，较好地解决了边界模型和多面体模型的拓扑关系。Chung等[10]通过ACIS文件实现了数据交换，开发了机械开关CAD/CAE一体化系统。

尽管国内外设计分析一体化技术有效地解决了CAD/CAE软件之间的数据交换和接口问题，但依然存在开发过程效率不高、执行费时等缺点。UG作为CAD/CAE/CAM一体化软件，不仅将CAD、CAE、CAM等各功能模块有机地结合起来，用统一的执行控制程序进行数据的提取、交换、共享和处理，保证软件内部信息流的畅通并协调各功能模块有效的运行[11]，而且提供了功能强大的二次开发工具UG/Open，用户或第三方可以在此基础上开发出基于UG系统的应用程序，实现与UG系统的无缝集成，从而满足用户的需求[12-15]。

本文将设计分析一体化技术应用于枪械回转式闭锁机构设计中，提出了基于UG软件集成各设计计算程序及仿真分析模块的软件总体框架，开发了回转式闭锁机构设计分析一体化软件，实现了软件各模块之间的集成、产品设计与实体建模之间的同步更新、闭锁机构自动仿真分析，以及各模块数据的自动流转，从而使设计人员能够基于UG统一环境，快速完成回转式闭锁机构的设计分析一体化。

1 软件总体设计

1.1 软件体系架构

回转式闭锁机构设计分析一体化软件是在UG系统中，以各专业计算程序和功能模块作为基本设计工具，在数据管理模块的支撑下，进行闭锁机构设计计算、参数化建模、装配干涉分析、机构动作分析及零部件强度有限元分析。软件体系架构为典型的4层体系架构，包括用户层、驱动层、数据层及系统层，如图1所示。其中：

用户层是回转式闭锁机构设计分析一体化软件的用户交互层，用户在UG软件下，可通过菜单项或对话框调用并执行相应的功能模型。

驱动层是通过软件接口，在UG软件中调用相关功能模块，嵌套到本软件系统中，完成回转式闭锁机构结构设计计算、参数化建模及有限元分析等，通过Visual Studio软件和UG/Open API生成的动态链接库实现用户层的功能，完成对这些模块的驱动。

数据层存储了回转式闭锁机构的设计参数、模板模型、装配体模型、运动仿真模型、有限元模型和强度仿真模型等数据，并适时管理设计过程中的用户信息与设计参数、任务文件与临时数据、结构模型及仿真数据。

系统层是回转式闭锁机构设计分析一体化软件的系统支撑层，即软件依托的平台之所在，主要有Windows操作系统、NET Framework 4.0等。

1.2 软件功能设计

回转式闭锁机构设计分析一体化软件主要包括结构参数设计计算、参数化建模、自动装配、干涉检查、机构运动分析、结构强度有限元分析和数据管理等功能模块[16]，如图2所示。

2 软件关键技术实现

2.1 软件系统实现流程

回转式闭锁机构设计分析一体化软件是应用UG系统提供的强大二次开发工具包和特征扩展功能，对UG系统进行用户化定制与开发而形成的[17]。其中：参数化建模、自动装配、工程分析等功能模块为基于UG二次开发定制形成；各种接口、计算程序和执行程序为在Visual Studio中使用C#开发程序代码完成；设计向导、菜单、操作界面使用UG/Open所提供的功能开发。软件总体开发流程如图3所示。首先，使用UG/UIStyle设计相关对话框，并保存为*.cs、*.dlx两个文件，用vs2010编译器调用*.cs文件，编译生成.dll文件，等待调用；然后，编辑UG软件中的Menu Script文件，进行菜单界面设计，并保存在用户目录的startup子目录下，进行联合开发，实现回转式闭锁机构设计分析一体化软件的界面设计。

2.2 数据管理模块

通过开发数据管理模块可以实现设计过程中的过程数据、结果数据的统一有效管理，并实现数据在各功能模块之间的自动传递。首先根据回转式闭锁机构设计分析流程，分析各模块参数输入输出关系及各模块之间的参数传递关系，定义完整的数据流，如图4所示。然后以文件形式实现各模块数据的保存、提取、查询等功能。这样可使系统各模块数据相互独立，且开发的程序不会太长，易于修改、扩充。

2.3 菜单设计

通过用户菜单项设计，在UG系统主菜单栏生成“回转式闭锁机构设计分析一体化软件”菜单选项，设计人员通过点击此菜单启动回转式闭锁机构设计分析一体化软件界面。UG/Open MenuScript是UG/Open中用来制定菜单的专用模块。它允许用户使用ASCII文件方便快捷地添加、删除和定制UG菜单以及改变菜单的显示文本或响应动作，可对.dll动态链接库和.exe应用程序进行调用。菜单脚本文件扩展名为*.men，支持记事本的创建和编辑，存放于用户目录的startup子目录下。本软件部分菜单脚本文件内容如图5所示，加载后的菜单显示结果如图6所示。

2.4 对话框设计

对话框界面是对菜单的响应，也是用户与应用程序交互的工具，主要对话框界面包括枪机设计及参数化建模、枪机框设计及参数化建模、自动装配、干涉检查、运动仿真分析和结构分析等。对话框界面采用UG/Open UIStyle进行开发。块UI样式编辑器提供了强大的制作UG风格对话框的功能。利用UG/Open UIStyle模块所提供的可视化环境，通过选择和放置控件可快速制作UG风格对话框，并能生成.dlx和.cs对话框文件。UIStyle对话框文件经过编译生成的程序可在MenuScript中被调用，实现在UG菜单中对用户应用程序的调用以及用户应用程序与UG系统的集成。下面以装配向导对话框设计为例说明对话框的设计方法。应用块UI样式编辑器，进入Block UIStyler操作界面，通过使用控件和设置相关属性完成装配向导对话框设计，如图7所示。该对话框共有21个控件：3个向导步骤、5个组、4个标签/位图、5个操作按钮、1个枚举、2个体收集器、1个分割线。编辑完成后，生成一个C#语言源程序代码文件(assembly.cs文件)和一个UG对话框文件(assembly.dlx文件)。其中assembly.cs文件需要与UG/Open API相结合，编译成动态链接库文件(assembly.dll文件)。将所生成的动态链接库文件和UG对话框文件存放在用户目录下的application目录下。通过菜单脚本文件，系统执行自动装配菜单相应的action命令，从而实现用户自定义对话框的调用。

2.5 设计计算程序模块

设计计算程序主要包括枪机闭锁支撑凸笋设计、枪机框开闭锁工作面设计、壳机力的估算与计算、闭锁间隙计算和冲击疲劳寿命估算等模块。设计计算程序是根据相关理论模型、应用Visual Studio 2010平台、采用C#语言编写的自编专业程序，执行文件为.exe格式[18]，存放在用户目录下的application子目录下。为了实现在对话框激活相关控件时对设计计算程序的调用，通过编写相关控件的回调函数建立对话框控件与.exe文件的联系。

2.6 参数化建模模块

通过分析典型回转式闭锁机构的结构特征及共性特点，提取基本建模特征参数，设计枪机、枪机框通用的基础模型，建立参数化建模的专用模板[19]，开发参数化建模模块，通过输入或改变相应的特征参数，在UG下快速生成新的枪机和枪机框基础模型，经设计人员修改完善后生成其最终三维模型。

2.6.1 建立基础模型参数化模板

由于枪机及枪机框的模型复杂，在实际设计过程中，还需考虑枪弹底缘大小、击针、抓壳钩等零件在枪机上的位置、开闭锁工作面的安排、抛壳窗的位置等因素对其横向、纵向尺寸的影响，因此难以实现枪机及枪机框实际模型的参数化建模。本文通过分析其结构特点，抽取共性特征并进行适当简化，来完成基础模型的设计。

枪机基础模型由闭锁凸笋、定型凸笋、推弹凸笋及弹底窝等典型特征组成，如图8所示。在此基础上，选取主要设计参数，用来控制模型的形状和拓扑关系，驱动模板变形、实现参数化建模。主要驱动参数如图9所示。

枪机框螺旋槽基础模型由螺旋升角、枪机回转角、开闭锁行程和自由行程等主要参数确定。根据相关设计理论建立这些参数的表达式，引用该参数表达式建立枪机框螺旋槽的参数化模型，具体为：创建闭锁基准平面，绘制螺旋槽基本轮廓线，如图10所示(图中α为螺旋升角)；由螺旋槽与枪机凸笋的配合关系确定螺旋线的螺距、圈数和半径，创建螺旋线；通过扫掠、偏置曲面和拉伸等创建开闭锁工作面；对其进行修剪缝合，并通过修剪体功能完成枪机框螺旋槽基础模型的创建，如图11所示；定义主要尺寸参数为驱动表达式，以实现参数化建模。

建立枪机与枪机框基础模型参数化模板后，为了与参数化建模对话框的控件相关联，将其保存在程序指向的目录下。

2.6.2 参数化建模模块开发

参数化建模通过修改参数化模板模型的尺寸参数实现，具体实现过程为：启动UG NX→运行闭锁机构设计分析一体化软件→参数化建模→打开模板文件→获取设计计算程序相关计算结果→修改驱动尺寸→根据新尺寸重建模型→存储新文件。建立了上述枪机、枪机框参数化模板后，应用UG/Open UIStyle完成参数化建模对话框设计，应用Visual Studio 2010平台编写回调函数使对话框控件与参数化模板建立联系，通过对话框输入参数驱动模板变形完成参数化建模。主要调用的函数有initialize_cb()、update_cb()、theUfSession.Modl.EditExp()、theUfSession.Modl.Update()等，主要实现方法为：通过initialize_cb()函数进行参数化建模对话框的初始化；通过transPath=Environment.GetEnvironmentVariable()获取参数化模板路径；通过string path = transPath + “*.ini”获取设计计算结果文件.ini文件的路径；通过d=d.GetProperties().GetDouble("Value")将对话框中的相关参数赋值到相关驱动尺寸表达式；通过theUfSession.Modl.EditExp(strExp)函数对参数化模板各驱动尺寸的表达式进行修改，这是参数化建模回调函数编写中用到最多的函数；应用theUfSession.Modl.Update()函数更新模型。

完成对参数化建模对话框回调函数编写后，编译生成动态链接库文件.dll，存放在用户目录下的application子目录下。

2.7 自动装配、干涉检查、运动仿真分析和有限元分析模块

自动装配、干涉检查、运动仿真和有限元分析等功能模块为基于UG的相关功能定制开发而成。通过设计相关仿真模板，定制用户界面，使用户能够通过对话框进行参数设置，在仿真向导的导引下驱动仿真模板快速完成整个分析过程，得到求解结果。

自动装配、干涉检查、运动仿真分析和有限元分析模块是基于UG的日志操作开发的。日志是快速实用的NX二次开发工具，能够录制、编辑和回放用户交互操作。在NX交互过程中可利用日志录制功能创建一个脚本文件，通过该脚本文件回放用户交互操作。合理利用日志工具能够提高NX的二次开发效率。但直接录制的日志没有用户界面，因此，需要编辑、修改日志以提供用户界面，将日志迁移到一个完全编译和链接的应用程序，使日志支持应用程序的开发。

下面以有限元分析模块为例，说明基于日志操作的有限元分析模块的关键开发技术，开发流程如图12所示。

首先针对零部件的具体强度分析问题，应用UG高级仿真模块研究其有限元仿真建模方法，建立有限元仿真模板并形成一套规范的分析操作步骤，利用UG日志录制功能录制操作步骤并生成日志脚本文件，完成有限元仿真对话框界面设计，并将日志脚本文件代码添加到该对话框.cs文件中进行编译，使用户能够通过对话框、基于向导完成相关参数设置，并自动执行日志文件的操作步骤，从而方便快速地完成整个有限元分析过程，得到求解结果。主要实现方法和关键函数如下：

1) UF_SF_link_material();UF_SF_free_matl_prop();//附加材料；

2) UF_SF_create_ugs_tet_mesh()UF_SF_display_mesh();//划分网格；

3) CreateBcBuilderForSimulationObjectDescrip-tor();GetReferencePropertyValue();//添加仿真对象容器；

4) CreateBcBuilderForLoadDescriptor();//载荷；

5) GetScalarFieldWrapperPropertyValue()；//给力赋值；

6) CreateBcBuilderForConstraintDescriptor();SetTargetSetMembers();//添加约束；

7) UF_SF_create_solution_nx();//创建解决方案；

8) UF_SF_create_step_nx;//创建工况；

9) CreateModelingObjectPropertyTable();SetNamedPropertyTablePropertyValue();//求解。

3 软件运行实例

本文应用回转式闭锁机构设计分析一体化软件，完成了7.62 mm自动步枪回转式闭锁机构设计分析，从而对软件功能性能进行了测试验证。软件运行流程如图13所示。

依据软件运行流程，依次运行软件各模块，相关运行界面及计算结果如图14～图26所示。

4 结论

本文介绍了回转式闭锁机构设计分析一体化软件的整体功能、架构以及开发过程中的关键技术及开发实现方法。通过7.62 mm自动步枪回转式闭锁机构设计实例的应用表明，该软件能够基于UG统一环境，依据软件运行流程，辅助设计人员快速完成闭锁机构参数设计、枪机/枪机框基础模型参数化建模、闭锁机构自动装配、静态/动态干涉检查、机构运动仿真分析、结构强度有限元仿真等工作，实现各模块数据的自动传递，达到设计分析一体化的目的。研究结果表明，回转式闭锁机构设计分析一体化软件能够为闭锁机构的设计提供有效的技术支撑，有利于缩短设计与分析之间数据交换的时间，提高产品研发的设计质量和整体效率，有效降低设计人员的工作强度。

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DesignandDevelopmentofIntegratedSoftwareforDesignandAnalysisofRotaryLockingMechanismofFirearms

WEI Zhi-fang, LIU Wei, LAN Xuan, WANG Zhi-wei

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi， China)

In order to improve the design quality and efficiency of rotary locking mechanism of firearms, the design and analysis integration idea is taken into the design process, and an integrated design and analysis software is researched and developed for the rotary locking mechanism. In consideration of the design characteristics of locking mechanism, the software should include the basic modules of structural parameter design, parametric modeling of parts, automatic assembly and interference analysis, mechanism motion analysis, structural strength analysis and data management. The overall framework of software based on UG software integration calculation programs and function module is put forward. Key technologies, such as software integration framework design and development, UG/OPEN API function call, UG/MOTION/ADVANCED SIMULATION module application and secondary development, data management and transfer, are worked out. According to Visual Studio 2010 programming tools and secondary development of UG, the integrated design and analysis software for rotary locking mechanism is developed. The feasibility and practicability of the software are verified by concrete examples. The results show that the software can make the design, parametric modeling, simulation analysis of rotary locking mechanism easy to complete in the UG unified environment, and shorten the time of data exchange between design and analysis.

ordnance science and technology； integrated design and analysis; secondary development of UG; rotary locking mechanism; software development

TJ202

A

1000-1093(2017)12-2337-11

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.12.006

2017-04-20

国家国防科技工业局基础科研项目(A1020131011)

魏志芳(1974—), 女, 副教授，博士。E-mail: lilac1974@139.com