面向非致命效應(yīng)的防暴彈虛擬設(shè)計(jì)研究

秦華楊　劉春來

摘 要 為了減少防暴彈設(shè)計(jì)成本，縮短研發(fā)周期，本文提出了面向非致命效應(yīng)的防暴彈虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，通過Visual C++6.0對SoIidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了防暴彈結(jié)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)；根據(jù)防暴彈的不同作用方式，構(gòu)建不同的效能評估系統(tǒng)，對其非致命效應(yīng)進(jìn)行仿真評估。簡述了虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體構(gòu)成，以及設(shè)計(jì)過程和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。通過虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建動(dòng)能彈虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行非致命效能評估。實(shí)踐證明，這種方法能夠有效提高設(shè)計(jì)效率，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 虛擬設(shè)計(jì) 非致命效應(yīng) 防暴彈

中圖分類號：TJ413.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

防暴彈作為武警部隊(duì)處置突發(fā)事件的重要武器已被廣泛應(yīng)用，尤其在處置大規(guī)模群體性事件中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的防暴彈設(shè)計(jì)，一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定初步方案，然后設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，加工樣彈，再進(jìn)行試驗(yàn)。若實(shí)彈試驗(yàn)不合格，再修改設(shè)計(jì)方案，重新加工試驗(yàn)，直到滿足要求為止。這樣的設(shè)計(jì)不僅設(shè)計(jì)研發(fā)周期長、費(fèi)用高，而且防暴彈的性能等其他因素難以控制。本文提出了一種面向非致命效應(yīng)的防暴彈虛擬設(shè)計(jì)方法，在完成防暴彈的設(shè)計(jì)方案后，將模型載入虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行裝配操作仿真、非致命效應(yīng)仿真，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的防暴彈的裝配性、可操作性、安全性和實(shí)用性，為設(shè)計(jì)方案的進(jìn)一步完善提供依據(jù)，避免通過物理“樣彈”進(jìn)行驗(yàn)證，減少設(shè)計(jì)成本和縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

1防暴彈虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1.1虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體構(gòu)成

防暴彈虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要包括虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境、系統(tǒng)的模型處理、虛擬裝配、非致命效應(yīng)仿真和產(chǎn)品開發(fā)過程管理五個(gè)功能模塊，通過虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境將虛擬裝配、非致命效應(yīng)仿真以及非致命效能評估等功能模塊集成。產(chǎn)品開發(fā)過程管理模塊為整個(gè)過程提供支持，模型處理模塊實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)和CAD軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，各模塊功能如下：

（1）制造模擬功能模塊。在虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境中提供虛擬制造設(shè)備，進(jìn)行零件加工模擬，計(jì)算加工工時(shí)和制造成本以及評價(jià)零件的可加工性，根據(jù)加工模擬的結(jié)果分析零件的設(shè)計(jì)合理性，根據(jù)修改意見及時(shí)對零件模型進(jìn)行修改。

（2）模型處理模塊。通過對SolidWorks模型的后期處理生成系統(tǒng)支持的文件格式，在虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)相應(yīng)的文件載入功能，使系統(tǒng)具有更多的模型支持。

（3）虛擬裝配功能模塊。在SolidWorks環(huán)境中建立防暴彈的零部件模型后，通過二次開發(fā)的模型信息提取模塊，對模型進(jìn)行特征提取并進(jìn)行保存。在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配模擬，檢查各零件的設(shè)計(jì)缺陷和結(jié)構(gòu)的不合理性，制定出正確的裝配工藝文件。

（4）設(shè)計(jì)評價(jià)功能模塊。將非致命效應(yīng)的效能評估體系程序化，通過交互界面方式由用戶選擇評估項(xiàng)目并輸入模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對不同設(shè)計(jì)方案的比較。

2虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

防暴彈虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了高級跨平臺(tái)開發(fā)環(huán)境WTK9.0為虛擬現(xiàn)實(shí)工具包，選用SolidWorks2010作為防暴彈零部件的建模工具，采用Visual C++6.0為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。根據(jù)選擇的系統(tǒng)開發(fā)工具，對系統(tǒng)的各功能模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)?！皹訌棥蹦Ｐ褪褂肧olidWorks2010創(chuàng)建，再通過模型數(shù)據(jù)處理功能對模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，生成符合虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求的模型。通過Visual C++6.0對SolidWorks2010進(jìn)行二次開發(fā)，以動(dòng)態(tài)連接庫文件的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。充分使用SolidWorks的建模環(huán)境和API函數(shù)，生成脫離SolidWorks2010環(huán)境的文件，對模型按照特征和幾何面進(jìn)行三角化離散，實(shí)現(xiàn)模型幾何數(shù)據(jù)和拓?fù)湫畔⒌奶崛『捅４妗Ｔ谔摂M環(huán)境中，根據(jù)防暴彈的不同作用形式，選用不同的軟件系統(tǒng)，對模型進(jìn)行非致命效應(yīng)仿真。利用通過Visual C++6.0和WTK9.0實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各功能模塊。

2.2 SolidWorks及其內(nèi)嵌插件的功能應(yīng)用

（1）CAE模塊?？梢赃M(jìn)行電磁分析、流場分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，可以實(shí)時(shí)地針對分析結(jié)果對模型進(jìn)行優(yōu)化。

（2）仿真模塊?？梢詫⒎辣棻óa(chǎn)生的作用效果轉(zhuǎn)換成載荷，無縫傳入仿真模塊進(jìn)行應(yīng)力分析，從而能直觀顯示零部件在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)或整個(gè)仿真周期內(nèi)的應(yīng)力和位移。通過SolidWorks豐富的API接口，運(yùn)用Visual C++6.0對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜爆炸效應(yīng)的模擬仿真。

（3）CAM模塊。以插件的形式能實(shí)現(xiàn)與SolidWorks的無縫連接，能對SolidWorks的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行加工特征的自動(dòng)識別和提取，自動(dòng)生成刀具運(yùn)行軌跡的NC數(shù)據(jù)并傳給加工中心，由加工中心來完成防暴彈零件的實(shí)際加工。

2.3防暴彈非致命效應(yīng)分析

防暴彈藥有不同的作用形式，比如產(chǎn)生煙霧、脈沖噪聲、刺激劑等，發(fā)煙彈和催淚彈的作用方式都是釋放煙霧，不同點(diǎn)是它們產(chǎn)生的煙霧是否有刺激作用，也就是說上述兩個(gè)彈種的控制重點(diǎn)是煙霧的控制。爆震彈是通過脈沖噪聲作用于目標(biāo)的，它的控制的重點(diǎn)是要確定距炸點(diǎn)不同距離上的聲壓級。動(dòng)能彈是利用彈丸的動(dòng)能作用于有生目標(biāo)，它控制的重點(diǎn)是確定不同距離上彈丸的比動(dòng)能。

3結(jié)論

本文分析了虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在武器開發(fā)中的重要意義，提出了面向非致命效應(yīng)的防暴彈虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，構(gòu)建了防暴彈的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)。通過構(gòu)建非致命效益評估平臺(tái)，對設(shè)計(jì)出的不同的彈種采用不同的評估指標(biāo)，進(jìn)行非致命效益和戰(zhàn)技指標(biāo)測試。研究表明，該系統(tǒng)不僅可以大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，減少了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)費(fèi)用，而且減少物理樣機(jī)試驗(yàn)，有效地提高了防暴彈設(shè)計(jì)的效率。