基于特征的殺爆彈建模技術(shù)研究

梁振剛,陳柏旭,趙書超，南宇翔,趙洪志

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,沈陽 110159;2.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 淄博 255201;3.中國北方工業(yè)公司,北京 100053)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，殺爆彈是應(yīng)用最廣泛，消耗量巨大，改型換代較快的彈藥之一，在戰(zhàn)場上發(fā)揮著非常重要的作用，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的首選[1]。

建模是殺爆彈設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，魏志芳等[2]根據(jù)普通殺爆彈的結(jié)構(gòu)和基本尺寸，繪制普通殺爆彈的模板圖形，由程序?qū)π枰薷某叽邕M(jìn)行驅(qū)動建立殺爆彈實(shí)體模型；趙良玉等[3]基于CAD描述方法的參數(shù)化建模策略對卷弧翼火箭彈進(jìn)行參數(shù)化建模。

在以往殺爆彈設(shè)計(jì)方面，是在已有的殺爆彈設(shè)計(jì)模板上根據(jù)戰(zhàn)斗技術(shù)指標(biāo)的要求對尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，新結(jié)構(gòu)的殺爆彈需要構(gòu)建新的模板以及與之對應(yīng)的新程序，對工程設(shè)計(jì)人員操作難度大。

本文通過分析不同結(jié)構(gòu)類型的殺爆彈，提出殺爆彈特征劃分方法，建立不同殺爆彈特征的三維模型，通過特征拼接可方便快捷的生成新結(jié)構(gòu)的殺爆彈，可實(shí)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)類型的殺爆彈的快速建模。

1 殺爆彈結(jié)構(gòu)分析

殺爆彈主要由彈體、裝藥、彈帶、引信等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。彈型有平底殺爆彈、底凹?xì)⒈瑥?、棗核殺爆彈等多種不同結(jié)構(gòu)類型的殺爆彈[4]。

彈體主要劃分為彈頭(直線形彈頭和圓弧形彈頭)、圓柱部以及彈尾(平底彈尾、船尾形彈尾和底凹彈尾)；裝藥根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為圓柱裝藥及圓弧裝藥；彈帶部分可分為單彈帶及雙彈帶；引信結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文只建立簡化模型，根據(jù)外形不同可分為尖銳形引信、圓弧形引信以及平頂引信[5]。

圖1 殺爆彈結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于特征的建模技術(shù)

將殺爆彈劃分為多個不同的特征，對特征進(jìn)行約束后分別進(jìn)行建模，將各個建模后的特征進(jìn)行布爾操作或進(jìn)行各特征間的結(jié)構(gòu)特征約束來建立殺爆彈模型。

2.1 殺爆彈特征分類

特征是一系列基于特定關(guān)系的幾何或拓?fù)湓?，基于特征的三維建?？煞譃閹缀翁卣骱徒Y(jié)構(gòu)特征[6-8]。

幾何特征的種類有許多種，包含設(shè)計(jì)特征和標(biāo)準(zhǔn)特征，其中設(shè)計(jì)特征為構(gòu)成殺爆彈三維模型的主要部分，可獨(dú)立存在，包括殺爆彈的彈體、引信、彈帶及裝藥。標(biāo)準(zhǔn)特征不具有獨(dú)立性，依賴設(shè)計(jì)特征，需要附加在設(shè)計(jì)特征上。結(jié)構(gòu)特征則是用于約束特征的形狀和位置。結(jié)構(gòu)特征主要包含工作點(diǎn)、工作軸以及工作平面。殺爆彈的特征劃分如圖2所示。

圖2 殺爆彈特征劃分圖

2.2 殺爆彈特征分析

根據(jù)殺爆彈特征的分類，將殺爆彈的多個幾何特征分別分解為基本體素或具有一定幾何體素的特征結(jié)構(gòu)圖元。

彈頭特征、裝藥特征、圓弧形引信特征、船尾形彈尾特征、底凹彈尾特征、彈帶特征和燕尾形彈帶槽特征都可分解為直線或直線和圓弧構(gòu)成的特征結(jié)構(gòu)圖元；平頂引信特征、尖銳引信特征、平底彈尾特征和矩形彈帶槽可分解為基本體素圓柱、圓錐和圓臺。

典型殺爆彈結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3a為典型殺爆彈外形結(jié)構(gòu)，圖3b為典型殺爆彈內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。典型殺爆彈外形結(jié)構(gòu)參數(shù)包括殺爆彈口徑d、殺爆彈全長l、彈頭部長度lt0、彈殼頭部長度lh、彈頭部外形母線半徑R、殺爆彈圓柱部長度ly、殺爆彈彈尾部長度lw、彈尾部截錐部長度lwj、彈尾部傾斜角α。典型殺爆彈內(nèi)腔結(jié)構(gòu)參數(shù)包括內(nèi)腔深度hp、內(nèi)腔頭部母線的深度hk、內(nèi)腔錐部長度hkk、內(nèi)腔在圓柱部上的直徑dz、彈壁平均厚度hb、內(nèi)腔底部直徑dd、內(nèi)腔底部厚度hd。

圖3 典型殺爆彈結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)典型殺爆彈的結(jié)構(gòu)建立的主要特征尺寸約束方程如下。

dd≤dz

lwj

lh

hd

hb+dz

0°<α<90°

0°<β<90°

lto+ly+lw

hp+hd

2.3 基于特征的建模方法

基于特征的建模方法包含兩方面：

(1) 殺爆彈幾何特征的創(chuàng)建：確立約束關(guān)系后，建立約束方程，在滿足約束方程的條件下，通過調(diào)用特征建模程序函數(shù)建立生成新的殺爆彈幾何特征模型，如圖4所示。

(2) 特征的拼接：生成彈體、裝藥、彈帶、引信不同特征的幾何模型后，通過結(jié)構(gòu)特征約束及布爾運(yùn)算對特征進(jìn)行組合后生成所需的不同結(jié)構(gòu)殺爆彈三維模型。

3 殺爆彈特征建模

啟動UG進(jìn)入建模界面后，對于不同結(jié)構(gòu)的殺爆彈，需要在如圖5a所示殺爆彈建模系統(tǒng)的菜單項(xiàng)中分別選擇構(gòu)成所需生成的殺爆彈部件特征。

圖4 殺爆彈幾何特征模型

選擇完所需特征后，系統(tǒng)彈出參數(shù)修改界面，以圓弧彈頭特征為例，彈出如圖5b所示界面，在此界面中對特征的參數(shù)進(jìn)行修改，并且存入數(shù)據(jù)庫，存入數(shù)據(jù)庫的特征參數(shù)可顯示在特征參數(shù)修改界面表格內(nèi)，在此界面中可對保存過的該特征的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行查看并調(diào)用[9]。

圖5 殺爆彈建模系統(tǒng)圖

彈頭特征、圓柱部特征及彈尾特征拼接生成的彈體特征后，將彈帶特征拼接到彈體上，拼接組合過程如圖6所示。

通過修改特征參數(shù)、特征拼接等操作，彈體特征、裝藥特征、彈帶特征、引信特征可以組合生成新結(jié)構(gòu)類型的殺爆彈三維模型。

以某殺爆彈為例，彈頭為圓弧彈頭，彈尾為底凹彈尾，引信為圓弧引信，裝藥為圓柱裝藥，彈帶為矩形雙彈帶，分別建立彈體特征、裝藥特征、彈帶特征、引信特征后組合拼接后生成如圖6d所示的殺爆彈三維模型。

圖6 殺爆彈拼接組合過程圖

4 結(jié)論

(1)在分析殺爆彈的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，依據(jù)特征建模技術(shù)，將殺爆彈結(jié)構(gòu)劃分為彈體、裝藥、彈帶和引信等，根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)完成幾何特征與結(jié)構(gòu)特征的劃分。

(2)提出基于特征的殺爆彈建模方法，使用C++軟件對UG進(jìn)行二次開發(fā)，完成了基于特征的殺爆彈建模程序的開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)類型的殺爆彈的快速建模。