迫擊炮座板參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)

徐鳳軍，高躍飛，柯 彪

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

迫擊炮是一種彈道彎曲、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性良好的火炮，常作為步兵的伴隨武器，它通常由炮身、炮架、座板、瞄準(zhǔn)裝置和附件組成［1］。座板作為迫擊炮的重要組成部分，在射擊時(shí)，通過控制土壤來保證迫擊炮具有良好的后坐和復(fù)進(jìn)的穩(wěn)定性，從而改善迫擊炮連續(xù)射擊能力并提高射擊精度和密集度，所以座板的結(jié)構(gòu)將直接決定迫擊炮的性能，而座板的剛度和強(qiáng)度是重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)迫擊炮座板的工作狀況進(jìn)行仿真，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反復(fù)試驗(yàn)和修改設(shè)計(jì)，大大節(jié)省設(shè)計(jì)成本和研發(fā)周期。使用有限元軟件對(duì)座板的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，可以得到迫擊炮發(fā)射時(shí)的最大變形以及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等數(shù)據(jù)，從而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求，并可優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本、進(jìn)一步提高迫擊炮的性能。

ABAQUS是國(guó)際上先進(jìn)的大型通用有限元軟件，具有豐富的單元庫(kù)，可以模擬各種復(fù)雜的線性與非線性問題［2］，但其對(duì)大多設(shè)計(jì)人員而言較難掌握。本文基于ABAQUS的定制開發(fā)功能，應(yīng)用Python腳本語(yǔ)言和ABAQUS GUI Toolkit聯(lián)合開發(fā)技術(shù)，對(duì)ABAQUS／CAE交互界面進(jìn)行全面修改，定制了迫擊炮座板參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員通過在系統(tǒng)的交互對(duì)話框輸入?yún)?shù)就能完成建模和仿真分析，提高了迫擊炮座板的設(shè)計(jì)效率。

1 ABAQUS的定制開發(fā)方法

在ABAQUS／CAE中進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，一般先由用戶環(huán)境的對(duì)話框或命令行接口收集用戶操作信息，并發(fā)出基于Python語(yǔ)言的腳本命令與內(nèi)核通信，然后這些腳本命令經(jīng)內(nèi)核Python解釋器逐行解釋并執(zhí)行。ABAQUS的開發(fā)方法包括：①通過用戶子程序開發(fā)新的模型，控制ABAQUS計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果；②通過環(huán)境初始化文件改變ABAQUS的許多缺省設(shè)置；③通過內(nèi)核腳本實(shí)現(xiàn)前處理建模和后處理分析計(jì)算結(jié)果；④通過GUI腳本創(chuàng)建新的圖形用戶界面和用戶交互。本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于后兩種方法。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 設(shè)計(jì)方法

2.1.1 圖形界面設(shè)計(jì)

ABAQUS／CAE圖形界面庫(kù)是對(duì)FOX／Toolkit的二次擴(kuò)展，其中以FX開頭的為原始庫(kù)中的類，以AFX開頭的即為ABAQUS的擴(kuò)展類。界面設(shè)計(jì)時(shí)為提高設(shè)計(jì)效率，利用 ABAQUS／CAE菜單欄中Plugins＞Abaqus＞RSG Dialog Builder打開插件編輯工具，先繪制出簡(jiǎn)單的對(duì)話框并編排控件布局，保證對(duì)話框的條理性與美觀性，并以Standard plug－in保存，最后對(duì)保存的文件進(jìn)行重新編輯，以滿足GUI工具的讀取和調(diào)用。

2.1.2 腳本程序設(shè)計(jì)

ABAQUS的內(nèi)核腳本基于Python語(yǔ)言，而且針對(duì)ABAQUS的具體應(yīng)用又進(jìn)行了二次擴(kuò)展，增加了mdb，odb 和 session 三 大 類 約 500 個(gè) 對(duì) 象［3］。ABAQUS／CAE下的所有操作都會(huì)在當(dāng)前工作目錄下的abaqus.rpy文件中給出對(duì)應(yīng)的腳本語(yǔ)句，所以在編制建模、畫網(wǎng)格等功能內(nèi)核腳本時(shí)主要采用記錄、修改的模式，這樣既可以節(jié)省大量的時(shí)間，又提高了編程準(zhǔn)確性。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 有限元模型的建立

迫擊炮不僅要求能在松軟的山地使用，同樣在城鎮(zhèn)中的硬質(zhì)水泥地面也要有很好的射擊性能。在硬質(zhì)水泥地面射擊時(shí)，座板受炮膛合力和3個(gè)筋板與地接觸面的支反力，筋板棱脊上的受力最大，應(yīng)力集中最為嚴(yán)重，焊道易拉裂，使用此類陣地考核座板的強(qiáng)度最為適宜，所以選擇剛性地面作為使用環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬。分析模型如圖1所示。

圖1 分析模型

分析模型中包含迫擊炮座板、駐臼和炮尾三部分，座板和駐臼合并為一體。炮尾的尾球與駐臼間通過面面硬接觸傳遞載荷，摩擦力由罰函數(shù)法定義，系數(shù)為0.2。射擊時(shí)，炮身與座板剛性連接，直接將炮膛合力添加到炮尾簡(jiǎn)化模型的圓柱面上。模型采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，分析步采用Static General，單元類型選為C3D10M［4］。

2.2.2 系統(tǒng)的初始化

初始化文件design App.py的代碼如下：

from abaqusGui import AFXApp

import sys

from model Main Window import Model Main Window

＃初始化應(yīng)用程序

app＝ AFXApp（＇AbaqusS／CAE＇，＇SIMULA＇）

app.init（sys.argv）

＃構(gòu)建主窗體

Model Main Window（app）

＃創(chuàng)建并啟動(dòng)仿真系統(tǒng)

app.create（）

app.run（）

在初始化程序中將調(diào)用系統(tǒng)界面定制文件“model Main Window.py”對(duì) ABAQUS／CAE 的 通 用界面進(jìn)行定制修改。

2.2.3 程序模塊間調(diào)用關(guān)系

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序模塊間調(diào)用關(guān)系如圖2所示。

3 應(yīng)用示例

3.1 參數(shù)化建模

首先點(diǎn)擊系統(tǒng)程序的入口文件（run＿program.bat）啟動(dòng)ABAQUS主程序并讀入定制模塊程序，完成初始化。定制系統(tǒng)界面如圖3所示。系統(tǒng)界面以ABAQUS／CAE為母版，對(duì)原有菜單、工具、模型樹等控件作選擇性導(dǎo)入，并在系統(tǒng)界面添加定制菜單和定制按鈕，3個(gè)工具按鈕分別為參數(shù)建模、添加載荷和提交分析作業(yè)。

圖2 程序模塊間調(diào)用關(guān)系

圖3 定制系統(tǒng)界面

點(diǎn)擊參數(shù)建模工具，將打開如圖4所示的建模輸入對(duì)話框。為方便設(shè)計(jì)人員，在對(duì)話框的左邊為標(biāo)有尺寸參數(shù)的零件結(jié)構(gòu)圖，右欄為參數(shù)輸入文本框。建模時(shí)考慮到了零件裝配的尺寸關(guān)聯(lián)性，例如炮尾尾球與駐臼的球形槽，建模的參數(shù)輸入分為座板和駐臼兩步。在輸入欄下方為模型的材料選擇框，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)模型賦予不同的材料屬性。本例選用座板常用的7075－T6超硬鋁合金。點(diǎn)擊“確定”后，將自動(dòng)生成模型并完成裝配和網(wǎng)格劃分等，座板的有限元模型如圖5所示。

圖4 座板參數(shù)建模對(duì)話框

3.2 添加載荷

圖6為定制對(duì)話框，點(diǎn)擊添加載荷工具打開如圖6（a）所示對(duì)話框，為防止迫擊炮打滑，在硬質(zhì)水泥地面的允許射角為70°～85°，該例射角取為70°，方位角分別取0°（身管軸線沿筋板方向）和60°（身管軸線與筋板對(duì)稱面呈60°角）進(jìn)行仿真，并選擇事先計(jì)算好的炮膛合力文件（.txt）。

圖5 座板的有限元模型

圖6 定制對(duì)話框

3.3 提交分析作業(yè)

點(diǎn)擊系統(tǒng)界面第3個(gè)工具將打開如圖6（b）所示的仿真設(shè)置對(duì)話框，選擇靜力學(xué)仿真并設(shè)置仿真資源和路徑后提交作業(yè)，首先生成輸入文件（.inp），然后通過后臺(tái)編制腳本程序?qū)⑤斎胛募峤唤oABAQUS／Standard求解器進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算。

3.4 結(jié)果處理

仿真完成后，可通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析處理，從而對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)，選取最佳尺寸，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。仿真分析得到的應(yīng)力云圖如圖7所示。在射角為70°、0°方位角下，最大應(yīng)力為558.5 MPa；在射角為70°、60°方位角下，最大應(yīng)力為460.8 MPa。所以0°方位角為危險(xiǎn)工況，通過參數(shù)建模對(duì)話框增大肋板厚度，在70°射角和0°方位角時(shí)進(jìn)行仿真，得到的最大應(yīng)力為457.1 MPa（見圖8），可見增加肋板厚度可有效減輕應(yīng)力集中問題。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用ABAQUS的定制開發(fā)技術(shù)，開發(fā)了迫擊炮座板的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員只需在對(duì)話框中修改尺寸參數(shù)并設(shè)定工況后，就能完成快速建模和仿真分析，從而通過仿真結(jié)果就可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，代替了傳統(tǒng)的反復(fù)試驗(yàn)，降低了研發(fā)成本，提高了設(shè)計(jì)效率。

圖7 不同方位角、射角時(shí)的應(yīng)力云圖

圖8 肋板厚度增加后方位角0°、射角70°時(shí)的應(yīng)力云圖

［1］ 談樂賦，張相炎，管紅根，等.火炮概論［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

［2］ 黃霖.ABAQUS／CAE二次開發(fā)功能與應(yīng)用實(shí)例［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2011，20（4）：96－99.

［3］ 王家林，李平.ABAQUS箱型橋梁的GUI二次開發(fā)［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，28（6）：1000－1004.

［4］ 莊茁，由小川，廖劍輝，等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.