火炮反后坐裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計研究

山西中北大學機電工程學院　　朱銘君　劉樹華　曹廣群

火炮反后坐裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計研究

山西中北大學機電工程學院朱銘君劉樹華曹廣群

本文以火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)模型為研究對象，以模型的裝配方程和裝配約束集為基礎(chǔ)，成功構(gòu)建了火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計框架和參數(shù)化火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)模型，并完整地實現(xiàn)了火炮反后坐裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)化，將這種快捷的計算機輔助設(shè)計方法引入火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計中。

火炮；反后坐裝置；結(jié)構(gòu)參數(shù)化；尺寸關(guān)聯(lián)驅(qū)動

計算機技術(shù)的發(fā)展日新月異，CAD技術(shù)的引入為現(xiàn)代工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更加快速便捷的途徑去設(shè)計產(chǎn)品，從產(chǎn)品的建模到模型的仿真都能使設(shè)計者的思維完整地通過計算機技術(shù)的勾勒展現(xiàn)在我們面前?，F(xiàn)代CAD的概念設(shè)計思想在參數(shù)化設(shè)計的幫助下得以放大，并為結(jié)構(gòu)設(shè)計的多樣化提供了高效、高質(zhì)的方法［3］?，F(xiàn)在的零件設(shè)計中常遇到的對零件的變型設(shè)計，通過參數(shù)化設(shè)計的方法能很好地簡化這類設(shè)計過程，而對于結(jié)構(gòu)的變型設(shè)計應(yīng)用參數(shù)化則帶來諸多問題；結(jié)構(gòu)設(shè)計中的零件設(shè)計同單一的零件設(shè)計一樣，可順利參數(shù)化，而結(jié)構(gòu)設(shè)計中的裝配階段，由于零部件的設(shè)計尺寸的變化不能聯(lián)動性更正相關(guān)的裝配關(guān)系，常常導致火炮的虛擬樣機模型的崩潰或模型的裝配干涉，給火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計效率帶來嚴重影響。針對上述問題，本文以火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)模型為研究對象，以裝配方程組和裝配約束集為基礎(chǔ)，建立了火炮反后坐裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計框架和參數(shù)化的火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)模型，對火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)成功實現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計，為火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計提供了快捷可行的方法。

1　構(gòu)建參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型

1.1零件的參數(shù)化

現(xiàn)在的主流CAD設(shè)計軟件主要有PRO/E、UG、Solidworks等，這些軟件基本都提供自帶的零件參數(shù)化設(shè)計模塊。本文將采用UG軟件為設(shè)計平臺實現(xiàn)零件的參數(shù)化設(shè)計，為了提高設(shè)計效率，通常先畫外形再定尺寸，根據(jù)這個設(shè)計思想先建立火炮反后坐裝置的零件三維模型，將設(shè)計意圖和規(guī)則加入模型中，并檢查零件的幾何尺寸是否完備，利用UG參數(shù)化功能確定火炮反后坐裝置的零件設(shè)計參數(shù)和參數(shù)系列，同時將可參數(shù)化的火炮反后坐裝置的零件模型存入共享目錄中。設(shè)計者可根據(jù)需要在共享目錄中的挑選參數(shù)化火炮零件模型重新使用，運用尺寸驅(qū)動機制給新生的零件賦予指定設(shè)計參數(shù)，直接生成設(shè)計者所需的火炮防護裝置的零件模型。

1.2結(jié)構(gòu)的參數(shù)化

目前主流CAD軟件都提供有裝配作業(yè)模塊，根據(jù)零件的實際裝配情況，對零件的干涉情況進行分析，查看計算質(zhì)量數(shù)據(jù)和動畫演示裝配方案。我們通過倒置的樹形圖的形式來演示這里的裝配層次，一級裝配包含有二級裝配和零件的引用信息，二級裝配又包含更小的裝配和零件的引用信息，依次類推構(gòu)成了完整的裝配層次關(guān)系結(jié)構(gòu)圖。利用UG自身提供的裝配模塊，我們可以定義火炮反后坐裝置的裝配約束，如面對面、面對線等，在裝配完成后反復檢查火炮反后坐裝置的裝配約束的完備性，以建立完整的、要素齊備的火炮防護裝置的虛擬樣機。在現(xiàn)實裝配中，一般CAD軟件提供的裝配模型或多或少的不盡完備，僅僅能提供一些簡單的裝配關(guān)系，例如零件之間的定位約束，不同零件之間則很難表達裝配尺寸協(xié)同關(guān)系，一般這些裝配尺寸的協(xié)同關(guān)系是由不同零件的共同設(shè)計尺寸決定的，現(xiàn)有CAD軟件一般沒有相關(guān)的協(xié)同定義方法，這方面只能消耗大量人力，采用人工對照的方法，對零件設(shè)計階段協(xié)同逐個排查可能導致裝配模型崩潰或相互干涉的隱患。為解決上述問題，本文引入裝配方程［4］的概念，用裝配方程來表示零件與零件之間的所有裝配尺寸協(xié)同關(guān)系，一般一個裝配尺寸需要一組由多個單一裝配方程組成的裝配方程組。通過這種裝配約束與裝配方程的協(xié)作將裝配設(shè)計階段中裝配關(guān)系完整地表現(xiàn)在火炮反后坐裝置的虛擬裝配模型中。

2　火炮反后坐裝置結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計

火炮反后坐裝置的參數(shù)化設(shè)計主要針對結(jié)構(gòu)相同或相似，設(shè)計人員根據(jù)實際需要對參數(shù)化模型中的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行重新賦值，在尺寸關(guān)聯(lián)驅(qū)動機制的作用下，軟件根據(jù)參數(shù)化信息自動生成滿足項目設(shè)計要求的結(jié)構(gòu)。

2.1裝配約束的建立

UG軟件提供的裝配約束方法屬于部件之間的永久定位，如果改變某個部件的空間位置，在定位裝配約束中記錄的其他部件也將自動修改。通常裝配類型主要有面到面和線到線兩種類型。

2.2裝配方程的建立

本文用編程的方式將結(jié)構(gòu)中同一個零件或不同零件上的設(shè)計尺寸存在的協(xié)同關(guān)系以關(guān)系式的形式寫入裝配方程組中。工程人員在裝配設(shè)計階段，可以將零件之間的裝配尺寸的協(xié)同關(guān)系，即裝配方程組，寫入數(shù)據(jù)庫中。在裝配設(shè)計階段，如果一個設(shè)計尺寸發(fā)生變化，在數(shù)據(jù)庫中的裝配方程將按照方程內(nèi)容修改與之關(guān)聯(lián)的尺寸。裝配方程通常采用公式的形式保存裝配關(guān)系。本文用尺寸關(guān)聯(lián)驅(qū)動來定義上述裝配尺寸的協(xié)同關(guān)系、處于不同零件上的設(shè)計尺寸之間的驅(qū)動關(guān)系。

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

在完整的火炮反后坐裝置的虛擬裝配模型中，零件的設(shè)計參數(shù)中部分是獨立驅(qū)動的、部分是由火炮防護裝置的裝配方程組約束的。在火炮防護裝置的參數(shù)化設(shè)計過程中，有部分設(shè)計參數(shù)是重疊的，即在部分反映零件之間裝配尺寸的協(xié)同關(guān)系、處于不同零件上存在協(xié)同關(guān)系的零件設(shè)計參數(shù)，只需對其中之一進行設(shè)置。本文將火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)化模型中加入可獨立改變的設(shè)計參數(shù)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與虛擬裝配模型構(gòu)成完整的參數(shù)化火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)模型。

3　結(jié)論

本文實現(xiàn)火炮總體結(jié)構(gòu)的變型設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計具有重要的參考意義。

［1］孫也尊，秦俊奇，狄長春等.火炮反后坐試驗裝置設(shè)計與仿真研究［J］.機械設(shè)計，2013，08：30-33.

［2］郭連水，宋建平，戴約真.基于特征的參數(shù)化設(shè)計方法［J］.航空學報，1994，10.

［3］毛保全.動力學優(yōu)化設(shè)計及其在火炮中的應(yīng)用研究［D］.南京：南京理工大學，1997.

［4］狄長春.火炮總體結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計研究［D］.南京：南京理工人學報，1998.

朱銘君，1989年8月出生，安徽安慶人，在讀研究生，研究方向：火炮總體設(shè)計。