火炮总体结构参数化设计研究

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随着CAD技术的发展，为了能快速地建立产品模型，全面完整地表达设计者的设计意图，提出了参数化设计的方法。参数化设计更为符合和贴切现代CAD中概念设计以及并行设计的思想，为零件的变型设计提供了有效的方法。然而，在火炮的设计过程中，为了能实现快捷的火炮原型设计，往往都直接采用某成熟的制式火炮的总体结构方案，很少单独提取其中个别零件的设计方案，如某37航炮、某23航炮和某57高炮就采用了相同的自动机设计方案：某130加农炮、某122加农炮和某152加榴炮也采用了相似的总体结构设计方案。现有的参数化设计方法对零件的变型设计相当有效，对总体结构的变型设计支持却非常有限，特别是在产品的装配模型完成后，零件设计尺寸的再次变化将不能自动保证前面装配模型的装配尺寸一致性，同时也不能自动保证前面的火炮装配模型的有效性和物理样炮的可装配性，常导致火炮虚拟装配模型的崩溃和火炮物理样机的装配干涉，严重制约了火炮总体结构的直接变型设计效率。

为此，本文从火炮总体结构模型出发，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，为火炮总体结构的变型设计、系列化设计和优化设计提供了快捷可行的方法。 % ~' M7 C- ^, G# R: ~0 Y3 T

1 参数化结构模型的构建

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1. 零件的参数化
   现有机械CAD系统一般都提供了零件参数化的设计方法，如I-DEAS、Pro/E、UG、Solidword和AutoCAD等。本文采用I-DEAS软件为零件参数化设计平台，设计者可遵循“先画外形，后定尺寸”的设计原理，按照设计想象直接建立火炮零件的三维模型，加入几何设计意图规则，并检查零件的几何和尺寸约束是否完备。利用I-DEAS参数化功能确定火炮零件设计参数和参数系列，同时可将参数化火炮零件模型存入共享目录中。在重新利用时，设计者只需从共享目录中提取参数化火炮零件模型，赋予新的零件设计参数，利用尺寸驱动机制，可自动生成所需的火炮零件模型。
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2. 结构的参数化 ! R) A& N5 R* ?1 p2 t
   现有的机械CAD系统一般都提供了装配作业模块，用于观察零件装配情况，检查零件干涉，计算质量特性和动画演示装配方案。装配层次可以用一棵倒置的树来描述，父装配含有子装配和零件的引用，子装配包含有零件的引用或更小的装配，构成了装配层次结构。利用I-DEAS提供的装配模块，可以定义火炮的装配约束(Assembly constrains)，如Face-To-Face和Line-To-Line等，检查火炮的装配约束完备性，从而建立起火炮的虚拟装配模型。然而，一般机械CAD提供的装配模型是不完备的，提供的装配约束仅仅是零件之间的定位约束，不能表达不同零件之间的装配尺寸协同关系，并且装配尺寸协同关系一般由处于不同零件上的设计尺寸共同构成，现有机械CAD系统一般都不提供相应的协同定义方法，只能在零件设计阶段采用人工对照的办法来逐个协同，可能导致装配模型崩溃和相互干涉的现象。因此本文采用装配方程(Assemblye quations)的概念，将零件与零件之间所有的装配尺寸协同关系定义为装配方程，多个协同的装配方程将组成产品的装配方程组。在装配设计阶段，装配约束与装配方程将共同构成了完备的火炮虚拟装配模型。

   1. 装配约束的建立 / g) V1 M; j/ w% G7 A9 r0 B- k
      I-DEAS提供了引用之间建立永久性定位装配约束的方法，如果某一个引用的空间位置发生变化，存在定位装配约束的其它引用将自动修改。通常的装配约束包括Face-To-Face和Line-To-Line两种类型。
   2. 装配方程的建立 7 O0 m4 Q+ C2 D6 v3 S% u8 `
      采用编程的方法可以表达由处于不同零件上的设计尺寸共同构成、零件之间存在的装配尺寸协同关系。设计者可利用外挂程序直接建立零件之间装配尺寸的协同关系，即装配方程组。同样，如果一个引用的设计尺寸发生变化，存在装配尺寸协同关系的引用将自动修改生成。装配方程的定义采用的是类似D<sub>1</sub>=d<sub>3</sub>、D<sub>2</sub>=d<sub>4</sub>的表达式。本文将存在着装配尺寸协同关系、处于不同零件上的零件设计尺寸之间的驱动关系定义为尺寸关联驱动。 1 S S5 w5 e% a: X. m* _+ @) F* U5 Q u( l, A: k `# W) m- |* h! p9 A4 V3 b0 Z2 P4 z' M9 I0 T6 c/ W; y$ o, L9 t h; Q8 J7 A5 H

      图1 结构参数化设计实现过程

      图2 参数化火炮炮身结构模型

   3. 结构设计参数 4 s$ o" P; X2 t
      在完备的火炮虚拟装配模型中，零件的部分设计参数是独立驱动的，部分设计参数由于受到火炮的装配方程组的限制，在火炮设计过程中，不能独立驱动，即部分反映零件之间的装配尺寸协同关系、处于不同零件上存在协同关系的零件设计参数，是重叠的设计参数，选择其中一个参数即可。因此，本文将在完备的火炮虚拟装配模型中可以独立变动的设计参数，定义为火炮的结构设计参数。 2 ?8 d5 Y. z: n* v1 \
      结构设计参数与完备的产品虚拟装配模型将构成了完备的参数化火炮结构模型。

2 火炮的结构参数化设计

结构参数化设计是指在采用相同或相似的结构或火炮形式的前提下，通过对完备的参数化结构或火炮装配模型中结构设计参数重新赋值，利用尺寸关联驱动机制，自动生成满足结构或产品设计要求的结构或产品装配模型的设计方法，其基本的实现过程如图1所示。

在总体结构的变型设计或系列火炮的原型设计时，设计人员直接从火炮的参数化结构模型库中提取所需的参数化结构或火炮模型，调出结构设计参数表格，赋予结构设计参数新的设计值，利用尺寸关联驱动机制，自动生成所需的结构或火炮模型，从而可实现总体结构的变型设计和系列火炮的原型设计。图2即为参数化火炮炮身结构模型，可为火炮炮身提供快捷的结构变型设计。 7 R- z% d& H. l: ~/ ?$ Y

3 结论

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本文提出了火炮总体结构的参数化设计方法，为直接采用总体设计计划提供了一种快捷的方法。基于I-DEAS的火炮总体结构参数化设计在实践中证明是可行的，对缩短火炮的设计周期，实现火炮总体结构的变型设计、系列化设计和优化设计具有十分重要的意义。