基于Pro/E二次開發(fā)和Matlab聯(lián)合的火炮身管設(shè)計(jì)

李正偉，高躍飛，柯 彪，徐鳳軍

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099；3.中國兵器裝備研究院，北京 102202)

基于Pro/E二次開發(fā)和Matlab聯(lián)合的火炮身管設(shè)計(jì)

李正偉1，高躍飛1，柯 彪2，徐鳳軍3

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099；3.中國兵器裝備研究院，北京 102202)

根據(jù)火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，將火炮身管的設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)體建模集成在一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行，可無縫銜接各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，自動(dòng)完成零件的參數(shù)化建模，從而可提高設(shè)計(jì)效率?；赑ro/TOOLKIT對(duì)Pro/E進(jìn)行了用戶界面的定制，同時(shí)利用C++完成Pro/E與Matlab的接口設(shè)計(jì)，在Pro/E環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了火炮身管的設(shè)計(jì)計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算的外形尺寸數(shù)據(jù)自動(dòng)完成身管的實(shí)體建模。此方法也可為火炮其他零件的設(shè)計(jì)與參數(shù)化建模的集成設(shè)計(jì)提供參考。

Pro/E二次開發(fā)；Matlab；身管設(shè)計(jì); 參數(shù)化建模

身管是炮身的主要零件，發(fā)射時(shí)承受高溫、高壓、高速火藥氣體的作用[1]。對(duì)于身管設(shè)計(jì)，火炮戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求不同，其設(shè)計(jì)程序也不一樣；另外，還要考慮諸多因素，如火炮發(fā)射時(shí)身管承受的各種力、炮膛結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度校核及身管與其他部件的配合等因素。傳統(tǒng)身管設(shè)計(jì)人工勞動(dòng)量大且數(shù)據(jù)多，不易整理和有效利用，另外，身管模型不易快速創(chuàng)建和參數(shù)化。文獻(xiàn)[2]利用基于Automation GATEWAY的Pro/E二次開發(fā)通過參數(shù)對(duì)零件模型的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了炮身的參數(shù)化建模。文獻(xiàn)[3]利用基于SolidWorks的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了對(duì)加農(nóng)炮身管模型的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。文獻(xiàn)[4]通過編寫定制的GUI應(yīng)用在ABAQUS中實(shí)現(xiàn)了火炮參數(shù)化建模。上述參數(shù)化建模均是利用身管設(shè)計(jì)完成后的有關(guān)數(shù)據(jù)來進(jìn)行操作的，并沒有考慮身管的設(shè)計(jì)問題。文獻(xiàn)[5]將各種工具集成在Flexware開發(fā)工具中，提出了一種模板化設(shè)計(jì)的方法來實(shí)現(xiàn)火炮身管的設(shè)計(jì)并對(duì)身管模型進(jìn)行參數(shù)化建模，此方法模板較多且設(shè)計(jì)界面和參數(shù)化建模并不在同一環(huán)境下。因此筆者采用基于Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序的Pro/E二次開發(fā)和Matlab的聯(lián)合來實(shí)現(xiàn)火炮身管的設(shè)計(jì)和參數(shù)化建模，簡化了設(shè)計(jì)過程，使身管設(shè)計(jì)和參數(shù)化建模集成在Pro/E環(huán)境即同一環(huán)境下進(jìn)行，從而使得設(shè)計(jì)人員精力集中在設(shè)計(jì)問題上，而不是在建模的細(xì)節(jié)上。此外，該方法可減少使用工具，縮短研發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

1 使用工具

1.1 Pro/E

Automation GATEWAY是針對(duì)Pro/E軟件二次開發(fā)的程序接口，雖然簡單易用，但利用此程序接口不能訪問Pro/E所有的底層資源；Pro/TOOLKIT是PTC公司為Pro/E軟件定制的開發(fā)工具包，利用它幾乎可以直接訪問Pro/E軟件所有的底層資源，可以對(duì)Pro/E進(jìn)行深層次的二次開發(fā)。所謂的Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序是指利用Pro/E軟件自帶的Pro/TOOLKIT工具包，C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，采用C編譯器和鏈接器創(chuàng)建能夠在Pro/E環(huán)境中運(yùn)行的可執(zhí)行程序或動(dòng)態(tài)鏈接庫形式的程序[6]。因此，筆者用基于Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序的Pro/E二次開發(fā)在Pro/E環(huán)境下進(jìn)行菜單項(xiàng)和設(shè)計(jì)界面的定制來實(shí)現(xiàn)火炮身管的的設(shè)計(jì)和參數(shù)化建模。

1.2 Visual Studio 2008

根據(jù)Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序的定義，采用C++語言并選擇編程軟件Visual Studio 2008，利用Pro/TOOLKIT提供的函數(shù)庫和頭文件編寫代碼，然后編寫計(jì)算程序，最后在軟件中設(shè)置有關(guān)屬性，使程序能夠順利的進(jìn)行編譯。

MFC(Microsoft Foundation Class)是VC++程序的一個(gè)重要的軟件資源，可以實(shí)現(xiàn)程序界面的可視化設(shè)計(jì)[6]，且人機(jī)交互性好，十分方便頁面的布局、修改和調(diào)試。MFC對(duì)話框模式有模式對(duì)話框和無模式對(duì)話框兩種，身管設(shè)計(jì)界面選用無模式對(duì)話框，因其在狀態(tài)激活時(shí)可以不用關(guān)閉對(duì)話框就能激活另外的窗口。在Pro/E軟件菜單欄中，點(diǎn)擊指定的菜單項(xiàng)后就可以打開MFC無模式對(duì)話框即身管的設(shè)計(jì)界面。因此Pro/E軟件既是設(shè)計(jì)界面的載體，也是身管模型創(chuàng)建的工具。故在Pro/E環(huán)境下，身管設(shè)計(jì)完成后，能直接對(duì)身管模型進(jìn)行參數(shù)化建模，方便觀察關(guān)鍵參數(shù)的變化對(duì)身管模型的影響。

1.3 Matlab

Matlab軟件是一款科學(xué)計(jì)算軟件，使用方便，代碼語言簡潔、運(yùn)算高效。身管設(shè)計(jì)過程中計(jì)算量大且復(fù)雜，若用C++語言編寫計(jì)算程序則不易實(shí)現(xiàn)，而利用Matlab軟件編寫計(jì)算程序則可以很好的解決這個(gè)問題。根據(jù)1.1和1.2所述，程序的編譯是在Visual Studio 2008中進(jìn)行的，因此，關(guān)鍵的問題是Matlab軟件編寫的計(jì)算程序如何集成在C++程序中并在Pro/E環(huán)境下后臺(tái)運(yùn)行，即C++如何調(diào)用Matlab。

C++調(diào)用Matlab的方法主要有調(diào)用Matlab計(jì)算引擎、包含m文件轉(zhuǎn)換成的C/C++文件和調(diào)用m文件生成的DLL文件3種方法[7]，筆者則采用第3種方法即利用Matlab自己的代碼編譯器mcc將m文件代碼轉(zhuǎn)換成DLL庫(動(dòng)態(tài)鏈接庫)。具體做法是在Matlab中輸入如下命令(xx為m文件名，xxx為轉(zhuǎn)換生成后的文件名)：

mcc -W lib:xxx -T link:lib xx

編譯后在Matlab工作路徑下得到的xxx.h、xxx.lib和xxx.dll文件為所需要的文件，將這些文件移動(dòng)到VC++程序工作路徑下并在程序中添加它們，另外還需要在程序中添加如下代碼：

#pragma comment(lib, "mclmcrrt.lib")

其中mclmcrrt.lib為Matlab提供的庫文件，它使得m代碼的dll文件能夠在程序中順利的編譯。

在xxx.h頭文件中，xxxInitialize()函數(shù)用來初始化對(duì)xxx.dll文件的調(diào)用，xxxTerminate()函數(shù)用來終止xxx.dll文件的調(diào)用，兩者必須有且同時(shí)出現(xiàn)，否則程序調(diào)用xxx.dll文件時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

綜上所述，Visual Studio 2008軟件用來進(jìn)行身管設(shè)計(jì)界面的設(shè)計(jì)和Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序的編譯，Matlab軟件用來編寫計(jì)算程序并利用C++調(diào)用 Matlab的方法使計(jì)算程序在Pro/E環(huán)境下后臺(tái)運(yùn)行，而身管的設(shè)計(jì)過程和三維模型的創(chuàng)建最終是在Pro/E軟件中完成的。

2 身管設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方法

炮身通常由身管、炮閂和炮尾及其他一些輔助裝置例如炮口制退器等組成，身管又有多種種類，筆者則選擇單筒線膛身管進(jìn)行設(shè)計(jì)。

線膛身管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由藥室、坡膛和膛線3部分組成。炮膛設(shè)計(jì)時(shí)，既可參考現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，也可根據(jù)火炮總體的要求進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以滿足設(shè)計(jì)要求。

身管外形設(shè)計(jì)時(shí)則需要按照身管強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論的進(jìn)行身管強(qiáng)度極限的分析與計(jì)算，并需要考慮身管與炮身其他部件的配合。

身管模型的創(chuàng)建，主要依據(jù)是最終得到的身管的內(nèi)、外徑數(shù)據(jù)，因單筒身管是一個(gè)管狀零件，故對(duì)身管模型截面進(jìn)行劃分，將內(nèi)、外徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成各截面端點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后由旋轉(zhuǎn)等命令自動(dòng)旋轉(zhuǎn)生成身管三維模型。

2.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)身管設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，采用如圖1所示的流程圖來進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的布置，主要分為3部分：炮膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；身管參數(shù)化建模。

2.3 炮膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在藥室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要選擇藥筒定裝式或藥筒分裝式的藥室結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用數(shù)據(jù)庫后即可對(duì)炮膛結(jié)構(gòu)參量(本體、連接錐和全長)進(jìn)行調(diào)整和修改。坡膛一般被認(rèn)為包括在藥室結(jié)構(gòu)中，因此在藥室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好后，就可以選擇坡膛是一錐度還是兩錐度，并輸入其大端直徑等參數(shù)。膛線設(shè)計(jì)較復(fù)雜，需要選擇身管的材料(從數(shù)據(jù)庫中提取)和輸入膛線各參量(膛線的寬度、深度和數(shù)目)等一系列參數(shù)，最后采用第三強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力進(jìn)行膛線強(qiáng)度的校核。這3部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后就可以將身管內(nèi)徑方向上的數(shù)據(jù) 和有關(guān)數(shù)據(jù)保存到指定的數(shù)據(jù)庫中，方便后續(xù)部分的提取。

2.4 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于火炮發(fā)射時(shí)伴隨的各種物理化學(xué)現(xiàn)象難以準(zhǔn)確掌握，身管內(nèi)部受力也較復(fù)雜，因此，根據(jù)基本假設(shè)[8]在Matlab中編寫內(nèi)彈道方程組并轉(zhuǎn)換成相關(guān)文件，在輸入原始數(shù)據(jù)后，后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行Matlab并進(jìn)行內(nèi)彈道程序的計(jì)算，完成后會(huì)得到炮口膛壓和最大膛壓兩個(gè)重要參量，并可得到p-t、p-l、v-t、v-l曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)上述相關(guān)參數(shù)可進(jìn)行身管高低溫壓力曲線的計(jì)算和繪制，選擇身管各部分的安全系數(shù)和身管的材料后就可以進(jìn)行身管理論強(qiáng)度曲線的計(jì)算。最后，根據(jù)外徑計(jì)算公式[1]就可以確定身管的理論外形并可繪制身管的理論外形圖，公式為

式中：d1為炮膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到的身管內(nèi)徑；σp為選擇的身管材料的比例極限；P1為身管理論強(qiáng)度極限。

上述步驟完成后將外徑方向上的數(shù)據(jù)d2和有關(guān)數(shù)據(jù)保存到指定的數(shù)據(jù)庫中。

2.5 身管參數(shù)化建模

炮膛和外形兩部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，將內(nèi)徑、外徑數(shù)據(jù)提取出來并對(duì)身管的截面進(jìn)行劃分，并將內(nèi)、外徑數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在設(shè)計(jì)界面上。在界面上可根據(jù)總體要求和身管與其他部件的連接對(duì)外形進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)調(diào)整后的理論外形進(jìn)行身管的實(shí)際強(qiáng)度極限和實(shí)際安全系數(shù)的校驗(yàn)，若結(jié)果不滿足要求則繼續(xù)調(diào)整外形直至達(dá)到要求為止。完成后的數(shù)據(jù)保存到指定的數(shù)據(jù)庫中，并將身管的內(nèi)、外徑數(shù)據(jù)按照一定的格式保存到指定的以.txt為擴(kuò)展名的文本文件中。在Pro/E軟件中新建一個(gè)零件后，點(diǎn)擊界面上的按鈕，程序?qū)⒆詣?dòng)讀取此文本文件，最后生成身管模型。

2.6 身管設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)流程

身管設(shè)計(jì)過程中，數(shù)據(jù)多且有些數(shù)據(jù)需要重復(fù)使用，故采用數(shù)據(jù)庫知識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和調(diào)用。身管設(shè)計(jì)時(shí)，先將有關(guān)內(nèi)彈道數(shù)據(jù)及定裝式藥筒藥室結(jié)構(gòu)參量、身管材料等有關(guān)數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中，以便設(shè)計(jì)過程中隨時(shí)調(diào)用。

2.7 實(shí)例

以某57 mm高射炮[8]為例,在Visual Studio 2008中新建一個(gè)MFC DLL文件，命名為Barrel后，進(jìn)行相關(guān)屬性的配置，然后將在Matlab中編寫的計(jì)算代碼文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的相關(guān)文件添加到程序中，編寫相關(guān)代碼后進(jìn)行程序的編譯，編譯完成后最終生成DLL文件，最后啟動(dòng)Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序。本實(shí)例采用批處理啟動(dòng)方法，優(yōu)點(diǎn)是較傳統(tǒng)方法大大簡化了操作步驟，非常快捷，方法是在當(dāng)前路徑下，新建一個(gè)文本文件并以.bat作為擴(kuò)展名，完成后鼠標(biāo)雙擊此文件即可，文件內(nèi)容如下：

cd /d %～dp0

"(Pro/ENGINEER安裝路徑)proeWildfire 5.0inproe.exe"

成功加載Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序后的Pro/E軟件菜單項(xiàng)如圖2所示。

執(zhí)行【身管】|【炮膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】，彈出如圖3所示的對(duì)話框。在藥室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，調(diào)取數(shù)據(jù)庫選擇57 mm高射炮藥室結(jié)構(gòu)有關(guān)數(shù)據(jù)后就可以對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，坡膛和膛線兩部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類似，完成設(shè)計(jì)后將內(nèi)徑d1保存即可。

執(zhí)行【身管】|【外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】，彈出如圖4所示的對(duì)話框。

點(diǎn)擊【連接數(shù)據(jù)庫】后選擇57 mm高射炮內(nèi)彈道數(shù)據(jù)，則有關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)在界面中顯示，根據(jù)炮膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所得結(jié)果輸入相關(guān)數(shù)據(jù)后按照順序進(jìn)行操作即可，所有計(jì)算程序均在后臺(tái)運(yùn)行。

執(zhí)行【身管】|【身管參數(shù)化建?！浚瑥棾鋈鐖D5所示的對(duì)話框，點(diǎn)擊【提取數(shù)據(jù)】按鈕，則可直觀地看到有關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)并可對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。點(diǎn)擊【身管建?！堪粹o，則程序自動(dòng)讀取指定的文本文件后直接生成身管三維模型。

其中程序讀取文本過程如圖6所示。x_t格式文件即Parasolid文件為中性文件，可以在大多數(shù)CAD/CAE軟件中通用，例如將身管模型的此格式文件導(dǎo)入到ABAQUS中對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析?！緦?dǎo)出x_t】按鈕可以使身管模型重復(fù)使用并和仿真分析軟件緊密的連接起來。

3 結(jié)束語

本文基于Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序?qū)ro/E進(jìn)行了二次開發(fā)，定制了Pro/E環(huán)境下火炮身管設(shè)計(jì)與建模的菜單項(xiàng)和用戶界面，通過C++調(diào)用Matlab的方法使計(jì)算程序能夠在Pro/E環(huán)境下后臺(tái)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了火炮身管的設(shè)計(jì)和參數(shù)化建模。實(shí)例表明，利用Pro/E二次開發(fā)和Matlab軟件的結(jié)合可以將身管的設(shè)計(jì)過程和模型的建立均集成在Pro/E環(huán)境下進(jìn)行，避免了在不同軟件環(huán)境下分散設(shè)計(jì)與建模的缺點(diǎn)，可顯著提高設(shè)計(jì)效率，而且可利用得到的x_t文件導(dǎo)入到其他CAD/CAE軟件中，從而對(duì)身管模型作進(jìn)一步的處理來滿足特定的需要。該方法可適用于火炮其他零件的設(shè)計(jì)和參數(shù)化建模，最終可實(shí)現(xiàn)火炮零件設(shè)計(jì)的數(shù)字化。

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GunBarrelDesignBasedonCombiningPro/ECustomizedDevelopmentwithMatlab

LI Zhengwei1, GAO Yuefei1, KE Biao2, XU Fengjun3

(1.Mechatronic Engineering College ,North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China；2.Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China；3.China Ordnance Equipment Research Institute, Beijing 102202, China)

According to the characteristics of the gun structure design, the design calculation and the solid modeling of the gun barrel were integrated into a design environment with the help of the technology of CAD to carry out the seamless connection with each design process and to automatically establish the parametric modeling of the part, thus this method can improve the design efficiency. Based on the Pro/TOOLKIT that was used to customize the user interface for Pro/E and the C++that was used to finish the interface design between Pro/E and Matlab, the design calculation of the gun barrel was implemented under the condition of the Pro/E, as well as the solid modeling of the barrel was performed automatically based on the dimension data after the calculation. This method can provide the reference for the integration of the design and parametric modeling of other parts of the gun.

Pro/E customized development; Matlab; barrel design; parametric modeling

2014-03-28；

2014-07-19

李正偉(1989-)，男，碩士，主要從事武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與仿真技術(shù)研究。E-mail：zhanwei100@163.com

TJ303

A

1673-6524(2014)04-0020-05