火炮设计软件系统的研究与实现

柯 彪，王惠方，高跃飞，吴永胜，贾 强

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051)

火炮设计是一项集设计、分析、仿真、优化、试验、工艺、制造和管理于一体的复杂大系统工程，涉及多学科和多科技领域以及多学科交叉[1]，所以火炮设计研究存在影响因素多、难度大、研制周期长以及所需经费多等特点，需要多方面的权衡和综合，这就需要一个可以将火炮设计过程高度集成的软件系统。笔者主要描述了集任务管理、设计计算、结构设计及参数化建模、有限元分析等功能于一体的火炮设计软件系统的开发与应用研究。

1 传统CAD系统面临的问题

随着计算机辅助设计技术的发展，各种CAD/CAM/CAE技术得到一定程度的发展，并形成了分立的“孤岛”[2]。综合分析可以发现，计算机辅助技术在实际应用中存在着如下的一些问题：

1)软硬件工具和资源未有效集成。

2)巨资购买的商业软件工具功能庞杂，应用门槛高，需要进行专业培训和深度定制。

3)成熟的工程方法未有效封装和重用。

4)各种专业模型关系松散，难以快速进行设计迭代。

5)设计过程仍严重依靠人工衔接，效率低，可靠性差。

6)缺乏对任务状态、进度及资源的有效控制和管理手段。

7)工程数据种类繁杂，缺乏统一有效管理。

目前CAD技术追求的主要目标是构建集专家系统等智能技术、有限元计算与动力学分析等现代设计手段、参数化建模与多学科优化于一体的CAD协同设计系统[3]。

2 火炮设计系统总体设计

根据火炮设计软件需求和使用要求[4]，软件系统由数据层、驱动层、应用层和用户层4个功能层组成。用户使用Windows风格的操作界面进行人机交互，通过驱动层调用系统集成的自主软件和相关商业软件，实现任务管理、设计计算、结构设计及仿真分析，而底层数据则以SQL数据和文件结构数据的形式存储，并为以上各层提供有权限的数据访问服务。整个软件系统的架构如图1所示。

根据系统架构，采用模块化设计思想，整个软件系统将围绕任务管理、设计计算、结构设计与仿真分析四大模块进行开发，各模块彼此相对独立、数据间弱耦合、便于维护。四大模块的主要功能如图2所示。

对四大模块进行详细的功能剖析，拟在Visual Studio.NET平台上，采用C#与MATLAB混合编程实现设计计算模块中各计算程序的内核开发，并对建模软件NX或Pro/E、多体动力学软件ADAMS及有限元仿真软件ABAQUS进行定制，分别实现结构设计和仿真分析的功能，另外，底层数据则通过SQL Server数据库编程和Windows底层 API技术实现对数据的审核、分类存取、多条件查询、维护和操作权限分配[5]。

3 模块详细设计

3.1 任务管理模块设计

在软件使用的过程中，火炮设计软件系统不可避免地涉及到了多个不同的设计任务、各个子功能模块的设计仿真数据的存取及不同权限用户的登陆等方面的问题，为了清晰有序地对任务、数据及人员进行管理，开发独立的任务管理模块是十分有必要的。任务管理模块主要完成项目任务新建与人员分配、人员信息与权限的管理、任务数据的审核与归档及数据库的维护。

3.1.1 任务管理逻辑分析

基于角色和任务的权限管理机制，本系统拟定3种人员身份，分别为系统管理员、项目负责人及部件设计员。管理员具有最高权限，可新建项目任务，并分配项目的负责人，同时负责底层数据的维护；项目负责人分配设计人员，并可以审核设计人员提交的设计数据及模块和数据的使用权限管理；设计人员可以管理个人信息、查询浏览已提交任务数据的审核情况，也可以查询已归档的任务数据，但不能进行修改和删除。任务管理逻辑功能框图如图3所示。

3.1.2 数据与权限的管理

整个软件系统数据按照SQL Server数据表和文件夹数据库形式存储，文件夹数据库又细分为待审核库、通过库、不通过库及附件库，可以存储计算参数、结果分析报告及模型数据等，如图4所示。系统运行过程中，通过ADO.NET的Connection、Command及DataReader对象访问SQL数据库，利用Windows API实现文件夹数据库的修改、读取、运行和完全控制安全权限的管理，完成数据的访问和维护。

3.1.3 任务的审核与归档

系统管理员和项目负责人都有审核和归档任务的权限，但是系统管理员是独立于项目任务以上的，而项目负责人是受制于所负责项目任务的。

任务审核人员在待审核区查询到需要审核的任务数据后，在审核意见区填写审核意见并提交，最后在审核记录区可以查询到已审核的任务数据并可以再完成任务的重新审核和提交。

3.2 设计计算模块设计

本模块主要完成火炮相关计算，如内外弹道设计计算、高低温压力曲线计算、身管设计计算、炮口制退器效率计算及反后坐装置设计计算等，并为结构设计模块提供计算所得的结构外形数据，还为仿真分析模块提供发射载荷数据。设计计算模块的功能如图5所示。

3.2.1 计算程序内核的开发

由于C#语言编写复杂的计算时，程序代码十分繁琐，不易后期维护，所以本系统利用MATLAB语言编写各计算程序，并定义输入输出变量将计算程序改写为function函数，最后通过MATLAB Builder NE环境将计算程序编译生成dll动态链接库文件[6-7]，后期维护只需更新dll文件即可。MATLAB Builder NE编译环境如图6所示。

3.2.2 计算报告的生成

为了便于对结果数据的监管，软件需要对计算或仿真分析的结果按照一定的格式进行保存，这样就需要定制数据的模板。实现生成计算报告的逻辑如图7所示。

3.2.3 典型计算案例分析

反后坐装置设计就是根据火炮的基本参数和内弹道数据、计算反后坐装置后坐流液孔和复进节制流液孔的变化规律，设计构件(节制杆、复进沟槽等)，并预测火炮在后坐与复进时的工作特性。

对于节制杆式制退机，在完成后坐正面计算得到节制杆的理论外形后，为了适应火炮的射击条件和工艺性要求，还需要对节制杆的理论外形按起始段、中间段和终了段分别进行调整[8]，节制杆理论外形调整界面如图8所示。

3.2.3.1 起始段调整

节制杆起始段的调整应使外形尽量简单。一般从节制杆直径dx最小处按dxmin向起始端延伸，将起始段调整为圆柱形或圆锥形。考虑到轴向装配误差，再将起始段延伸Δl，一般取Δl=10 mm。确定节制杆根部直径dxc，应避免节制杆根部与节制环卡滞，一般dxc≤dp-2，dp为节制环内径。对于起始段为圆柱形者，应注意圆柱段与根部联结圆角应大些；对于起始段为圆锥形者，只要连接dxmin点和dxc点即可。

3.2.3.2 中间段调整

中间段的调整原则是使外形工艺性良好，并尽量接近理论外形。用若干段直线代替曲线，一般将此段调整为若干个锥度。为加工和测量方便，转折点与定位基准的距离应尽量取成整数。转折点处节制杆直径的尾数应按0.1 mm选取。

3.2.3.3 终了段调整

终了段的调整原则是增大后坐流液孔面积ax，并延伸到极限后坐长lλjx。在调整终了段时，应综合考虑各种射击条件的变化，确定极限后坐长lλjx，并保证x=lλjx时，ax>0。一般lλjx=(1.08～1.20)lλ，lλ为后坐长度。具体方法是从正常后坐长处向前5%左右处作节制杆理论外形的切线，延长到lλjx处，使dxmax的名义尺寸与dp相同，上下偏差均为负公差，或者在名义尺寸上使dxmax0。

3.3 结构设计模块设计

在完成外部接口设计后，本模块在设计计算模块所得结构相关数据的基础上通过调用外部商业软件(如NX三维建模软件、AutoCAD二维制图软件)来完成火炮某些零部件的二维绘图、三维建模与装配及关重件的参数化建模与强度分析。结构设计模块的功能如图9所示。

为实现系统各模块的功能，系统需要调用或嵌套使用自开发的可执行软件或商用软件(统称为外部软件)，而C#语言正好提供了多种方便快速地调用外部软件的方式[5]。

1)通过Process类的StartInfo属性来对外部软件进行设定，可以完成对外部软件的启动、停止、控制和监视等任务，也可以运行启动文件，关联读取各二次开发的子目录文件。

2)利用API、DLL、COM等接口，实现对程序调用或后续开发。

3)对于没有留可编程接口的外部软件，通过Windows API中SendMessage、EnumChild-Windows等，从模拟操作的角度来调用指定程序的指定功能。

3.4 仿真分析模块设计

在设计计算模块所得相关载荷数据及结构设计模块所得零件结构外形的基础上，并在外部接口设计完后，本模块通过调用外部商业软件，进行火炮的发射动力学分析及身管热分析计算来完成火炮发射系统的虚拟仿真分析。仿真分析模块的功能如图10所示，其中有限元分析功能界面如图11所示。

限于篇幅不再对ADAMS、ABAQUS软件的二次开发进行叙述，而软件之间的系统集成如3.3节所述，其中ADAMS动力学仿真功能的集成如图12所示。

4 结束语

通过运用现代计算机辅助设计手段与分析技术，开发了集任务管理、设计计算、参数化建模、动力学仿真和有限元分析于一体的火炮设计软件系统，实现了火炮设计任务的控制管理、数据共享与模型重用，可以很大程度上降低研发成本，同时提高火炮产品的设计质量与效率，并为火炮的设计方法与设计手段的有效集成提供了一定的参考价值。

References)

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召开《火炮发射与控制学报》第十七届编辑委员会换届暨火炮发展学术研讨会

2017年11月16日，《火炮发射与控制学报》第十七届编辑委员会换届暨火炮发展学术研讨会在贵阳市召开。中国工程院臧克茂院士、邱志明院士、李魁武院士、中国兵工学会副秘书长安玉德，以及来自陆军工程大学、陆军炮兵防空兵学院、火箭军装备研究院、空降兵学院、海军装备研究院、北京理工大学、南京理工大学、中北大学、兵器装备集团、保利科技集团、北方工业公司和集团公司所属科研院所和企业的代表共70余人参加了会议。会议由202所副所长杨东主持，《火炮发射与控制学报》副主编胡瑛做了编辑部工作报告，安玉德副秘书长宣布《火炮发射与控制学报》第十七届编委会成员名单并发放了聘书。新一届编委们针对学报编辑委员会工作条例和学报选题参考提纲进行了认真的讨论，并针对大会审议议题提出了意见及建议。编委们一致认为应注重期刊的学术影响力和指标，注重热点文章，只有提高期刊内在质量，才能推动期刊的良性发展。今后《火炮发射与控制学报》编辑部将继续坚持技术导向和工程应用的办刊方向，对期刊的重点学科、热点学科有意识地进行侧重，继续发挥《学报》在科研环节中的重要作用。

大会交流环节由李魁武院士主持。来自海军

研究院邱志明院士、南京理工大学钱林方副校长、炮兵防空兵装备技术研究所易群智高工、火箭军研究院的王志敏高工、海军工程大学孙世岩副教授和我所集团科技带头人张春进行了学术交流。与会代表围绕新一代火炮武器系统总体技术、火炮发射技术、火炮控制技术、火炮系统信息化技术展开热烈的讨论，现场气氛活跃。最后，李魁武院士进行总结发言，认为会议达到预期效果，希望编委会定期开展学术活动，为科研人员搭建交流平台。