某型導(dǎo)彈發(fā)射裝置參數(shù)化設(shè)計研究

杜永峰 陳文會 王旭鵬

摘要：建立某型內(nèi)埋式雙作動筒彈射發(fā)射裝置零件、部級及產(chǎn)品級數(shù)據(jù)庫和信息庫，縮短導(dǎo)彈發(fā)射裝置設(shè)計周期，提升設(shè)計效率。基于SolidWorks和Visual Studio軟件平臺進行參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)，借助Access建立三維模型數(shù)據(jù)庫，并以氣動模塊、壓緊裝置為例對系統(tǒng)有效性進行設(shè)計驗證。建立了某型發(fā)射裝置三維模型數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。研究成果對于縮短機載導(dǎo)彈發(fā)射裝置研發(fā)周期，提升其通用化、系列化、模塊化及參數(shù)化設(shè)計效率具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)彈發(fā)射裝置模塊化設(shè)計參數(shù)化設(shè)計SolidWorks二次開發(fā)

中圖分類號：TB472文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）09-0022-04

Abstract：To shorten the design cycle and improve the design efficiency，the database and information base of parts，ministerial and product level of a missile launcher should be established. The parametric design system is developed with the help of SolidWorks and Visual Studio software platform. The corresponding three-dimensional model database is established based on ACCESS，and the effectiveness of the system is designed and verified by pneumatic module and pressing device. The 3D model database of a certain launcher is established，and the parametric design system is developed. The research results have certain reference significance for shortening the development cycle of airborne missile launcher and improving the efficiency of its generalization，serialization，modularization and parametric design.

Keywords： Missile launcheModular designParametric design SolidWorks Secondary development

引言

機載導(dǎo)彈發(fā)射裝置主要任務(wù)是載運與發(fā)射導(dǎo)彈[1]，是機載武器系統(tǒng)重要組成部分。導(dǎo)彈發(fā)射裝置設(shè)計性能直接影響導(dǎo)彈能否發(fā)射成功，發(fā)射姿態(tài)、精度是否滿足安全分離要求，以及對載機是否安全等。

導(dǎo)彈發(fā)射時的初始參數(shù)（分離速度、俯仰角速度及姿態(tài)）對導(dǎo)彈的安全發(fā)射起到極其重要的作用[2]，關(guān)系到載機安全，特別是在超音速、大機動和隱身特性條件下進行機載發(fā)射[3]。與歐美、俄羅斯等國家相比，我國的發(fā)射裝置研究起步較晚，存在通用化程度低、發(fā)射裝置類型單一、發(fā)射裝置輕量化程度低、燒蝕問題以及彈射能源等相關(guān)問題[4]。

隨著武器裝備的發(fā)展，發(fā)射裝置研發(fā)逐漸呈現(xiàn)出如下需求：（1）小型化、高度集成及大承載能力;（2）自動化、少維護甚至免維護、大行程彈射、外形隱身、結(jié)構(gòu)保形;（3）復(fù)式掛載、高密度掛載和多功能組合;（4）安全分離，且滿足發(fā)射精度;（5）通用化、模塊化、智能化;（6）彈射能源自主補充。

伴隨著上述研究趨勢，發(fā)射裝置模塊化、參數(shù)化設(shè)計及系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)逐漸成為了武器裝備領(lǐng)域的研究熱點，組合式和模塊化發(fā)射裝置因其具有很大的戰(zhàn)術(shù)機動性和使用靈活性，具有廣闊的發(fā)展前景。

一、開發(fā)環(huán)境及關(guān)鍵技術(shù)

（一）參數(shù)化和模塊化設(shè)計

參數(shù)化[5-6]是指將設(shè)計要求、設(shè)計原則、設(shè)計方法以及設(shè)計結(jié)果用參數(shù)表示，通過改變零件某一部分幾何尺寸，或修改已確定的零件關(guān)鍵參數(shù)，其余相關(guān)部分在參數(shù)驅(qū)動下可隨之自動改變。整個過程設(shè)計師只需確定零件主要輪廓，通過尺寸限定最終形狀，或定義關(guān)鍵零部件尺寸，即可通過參數(shù)修改實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計，實現(xiàn)人機交互靈活更改。

Alexander最早討論了模塊化思想，Baldwin將模塊化定義為具有互換性零件的集合[7-8]。經(jīng)過不斷的發(fā)展演變，模塊化設(shè)計逐漸形成以下三大特點：（1）相對獨立性：對各功能模塊分別設(shè)計、加工制造、運行調(diào)試、功能優(yōu)化和測試存儲，有利于多企業(yè)分工合作生產(chǎn);（2）互換性：模塊間接口的結(jié)構(gòu)尺寸采用標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，有利于模塊的批量化生產(chǎn)，滿足不同產(chǎn)品的需求;（3）通用性：可實現(xiàn)跨系列產(chǎn)品間的模塊通用[9-11]。

（二）開發(fā)環(huán)境

開發(fā)平臺基于成熟的商用軟件SolidWorks，該軟件具有易用性、創(chuàng)新性的特點，用戶可使用其應(yīng)用程序接口（API）將一些冗長的設(shè)計工作轉(zhuǎn)為自動化設(shè)計。API支持Visual Basics Visual C++、Access或任何支持OLE的程序語言進行二次開發(fā)，建立適合用戶需要的、專用的SolidWorks功能模塊[12]。

開發(fā)軟件采用Visual Basic（簡稱VB），該軟件為用戶提供了友好的集成開發(fā)環(huán)境：具有可視化的設(shè)計平臺、事件驅(qū)動的編程機制、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言、強大的數(shù)據(jù)庫功能、ActiveX技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)功能;還具有操作簡潔，程序開發(fā)周期短、界面設(shè)計合理等優(yōu)點。

數(shù)據(jù)庫借助Access軟件，可獨立開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，也可作為后臺數(shù)據(jù)庫與VB等高級語言結(jié)合使用。

（三）參數(shù)化設(shè)計方法

參數(shù)化設(shè)計方法有兩種[13]：尺寸驅(qū)動法、程序驅(qū)動法。尺寸驅(qū)動法不需要建立模型庫，在創(chuàng)建模型過程中需要編寫程序代碼，靈活性強，但要求高水平的編程工作人員編寫大量程序，并且在參數(shù)化過程中運行速度較慢;第二種程序驅(qū)動法，需建立零件模型庫，在模型庫中選取調(diào)用所需模型，對特定尺寸進行修改，即可建立新的模型。這種方法程序編寫工作量小且運行速度快，但靈活性差，適用于變動參數(shù)少、模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況。本研究采用尺寸驅(qū)動法對導(dǎo)彈發(fā)射裝置進行參數(shù)化設(shè)計。

二、發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)組成與工作原理

（一）結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)導(dǎo)彈發(fā)射方式，可將發(fā)射裝置分為（1）導(dǎo)軌式發(fā)射裝置、（2）彈射式發(fā)射裝置、（3）投放式發(fā)射裝置。導(dǎo)軌式發(fā)射裝置可在導(dǎo)彈發(fā)射離軌時賦予導(dǎo)彈一定的初速度和限定的初始航向，確保載機安全和導(dǎo)彈發(fā)射的參數(shù)要求;為避免導(dǎo)彈發(fā)射時的尾噴流引起載機發(fā)動機熄火停車，彈射式發(fā)射裝置應(yīng)運而生，這種發(fā)射裝置適用于“半埋”或“內(nèi)埋”式掛載的導(dǎo)彈，可確保導(dǎo)彈離機后能迅速擺脫載機干擾流場的影響，具有裝填密度高、成本低，導(dǎo)彈發(fā)射時氣動干擾小，對載機飛行性能影響小等多個優(yōu)點。

圖1所示為某內(nèi)埋式導(dǎo)彈彈射發(fā)射裝置組成示意圖，圖2所示為內(nèi)埋式導(dǎo)彈發(fā)射裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)結(jié)構(gòu)功能可將其劃分為如下主要的五個部分：（1）殼體、（2）氣動模塊、（3）解鎖連桿系統(tǒng)、（4）作動筒、（5）導(dǎo)彈壓緊機構(gòu)。

其中，殼體用于安裝解鎖連桿組件、保險組件、雙作動筒及氣動模塊等;氣動模塊由氣閥模塊、氣瓶及管路組成，用于在導(dǎo)彈彈射過程中提供動力源;解鎖連桿組件由解鎖連桿、止動器、止動掛鉤、擋銷、止動臂和保險組成;作動筒由作動筒殼體、一級作動筒、二級作動筒、活塞桿及端蓋等組成，用于彈射發(fā)射時將導(dǎo)彈推至分離位置;;導(dǎo)彈壓緊機構(gòu)由壓緊塊、壓簧、螺栓和螺母組成，導(dǎo)彈掛裝時，導(dǎo)彈壓緊機構(gòu)壓緊彈體，消除導(dǎo)彈沿垂向和航向間隙，防止運載過程振動與碰撞。

（二）工作原理

如圖3所示，機載導(dǎo)彈發(fā)射裝置工作原理如下：當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射裝置接收載機發(fā)射指令后，保險打開，止動掛鉤轉(zhuǎn)動與吊耳分離，氣動模塊啟動，氣瓶中高壓氣體通過管道進入作動筒，推動導(dǎo)彈以特定的分離速度運行至預(yù)定位置，導(dǎo)彈與壓緊機構(gòu)分離，導(dǎo)彈發(fā)射。

三、發(fā)射裝置參數(shù)化設(shè)計開發(fā)

（一）設(shè)計流程

參數(shù)化技術(shù)的運用可避免模型庫中存儲大量結(jié)構(gòu)相同、尺寸不同的構(gòu)件[14]，節(jié)省存儲空間，提升設(shè)計效率。為了實現(xiàn)本研究中導(dǎo)彈發(fā)射裝置零部件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計，需要制訂相應(yīng)的參數(shù)化設(shè)計流程。圖4所示為本文詳細的參數(shù)化設(shè)計流程。首先，根據(jù)導(dǎo)彈掛距、掛裝方式、發(fā)射裝置外形尺寸（高度、長度以及寬度），可初步確定部分標(biāo)準(zhǔn)元件的尺寸，快速完成部分零件結(jié)構(gòu)設(shè)計;隨后，進入發(fā)射裝置詳細設(shè)計階段，利用參數(shù)化、模塊化技術(shù)，完成發(fā)射裝置各個零部件的詳細設(shè)計，得到發(fā)射裝置的零件圖和裝配圖。

（二）設(shè)計輸入

導(dǎo)彈彈射發(fā)射裝置掛裝方式有艙內(nèi)和艙外兩種，本文所研究的對象為艙內(nèi)內(nèi)埋式導(dǎo)彈發(fā)射裝置，具有發(fā)射安全性高、隱身性能好等優(yōu)點。

常用彈射發(fā)射裝置驅(qū)動系統(tǒng)布置方案可分為2類，對應(yīng)載荷特性可分為：a.作動筒水平布置，作用在負載上的載荷與行程關(guān)系呈三角形分布;b.作動筒垂直布置，作用在負載上的載荷與行程關(guān)系呈梯形分布。

本文中內(nèi)埋艙高度和寬度分別用H艙和D艙表示，彈射行程為3×155mm，導(dǎo)彈掛距為355.6mm，選用標(biāo)準(zhǔn)吊耳式掛裝方式。確定導(dǎo)彈掛距后，可根據(jù)氣動模塊、解鎖連桿組件、保險組件之間的位置關(guān)系，結(jié)合彈射發(fā)射分離速度、角速度、分離行程等參數(shù)初步確定作動筒的位置及行程。

其中，導(dǎo)彈彈射發(fā)射時分離參數(shù)如下，投放速度：V1m/s～V2m/s;速度方向：&°（空間錐角，垂直機體向下為&°）;投放角速度：-θ°/s;彈射行程：>Lmm;彈射過程極限過載：

（三）設(shè)計開發(fā)

以某型內(nèi)埋式導(dǎo)彈發(fā)射裝置為例，分別從系統(tǒng)級、部件級、零件級三個層面，介紹其模塊化和參數(shù)化設(shè)計開發(fā)過程。需要說明的是：導(dǎo)彈發(fā)射過程中，作動筒內(nèi)高壓氣體壓力建立過程情況比較復(fù)雜，難以建立完全真實的數(shù)學(xué)模型對其進行數(shù)值模擬，并用來指導(dǎo)設(shè)計。因此，下文中通過合理假設(shè)，建立近似的等效模型進行分析計算。

1.系統(tǒng)級

彈射發(fā)射過程中，隨著導(dǎo)彈垂直運動，作動筒工作腔體積不斷增大。為簡化計算，假設(shè)在整個發(fā)射過程中，系統(tǒng)與外界無能量交換及氣體泄漏等情況;高壓氣體在管道內(nèi)的流動為一維，其成分以及物理化學(xué)性質(zhì)固定不變;氣動模塊與作動筒工作腔內(nèi)高壓氣體溫度不發(fā)生變化，為一常量;同時，不考慮氣動模塊與作動筒中的氣體分布，假定壓強處處相等;且氣瓶和作動筒內(nèi)的高壓氣體按照理想氣體計算，可得到氣動模塊與作動筒運動過程中的高壓氣體數(shù)學(xué)模型如下：

（1）

其中，P1為某時刻氣動模塊中氣體的壓強;T為氣體溫度;R為氣體熱力學(xué)常數(shù);V1為氣瓶中氣體初始總體積;mt1為時間內(nèi)氣動模塊中氣體的流出量;■a為氣體生成速率;■t1為氣動模塊沖出氣體的速率。

將作動筒半徑設(shè)置為一個均值R作動筒，可得出某時刻內(nèi)作動筒中的壓強p為：

（2）

其中，V2為作動筒初始狀態(tài)下的體積;Hmax為作動筒的最大行程;V管道為管道的體積。

導(dǎo)彈發(fā)射的過程中，作動筒的體積逐漸變大，可得：

V作動筒=π·R2·H（3）

V作動筒=n·（R12·H2+R22·H3+R32·H4）（4）

其中，V作動筒為作動筒的體積;V管道為管道的體積;H為作動筒行程;H2、H3、H4為作動筒參數(shù)，其如圖5所示。

根據(jù)設(shè)計要求，導(dǎo)彈在發(fā)射時間t1時，達到分離速度v，可得發(fā)射過程等效加速度■，從而得到作動筒壓強p為：

（5）

（6）

導(dǎo)彈發(fā)射過程中，根據(jù)動能定理以及壓強公式，在滿足設(shè)計輸入的參數(shù)中取一組參數(shù)：投放速度v、導(dǎo)彈質(zhì)量m、導(dǎo)彈彈射行程H，可得：

F·H=1/（2mv2）（7）

F=p·S（8）

S=π·R作動筒2（9）

其中，S為作動筒截面面積。

由以上數(shù)學(xué)模型可得出作動筒半徑為：

（10）

將以上數(shù)據(jù)作為設(shè)計輸入，可計算出作動筒的平均直徑;考慮到

彈射過程過載要求，且因彈射行程為L1，艙內(nèi)高度為H艙，所以選定三級作動筒，得到作動筒結(jié)構(gòu)圖如圖5所示：

圖6所示為系統(tǒng)設(shè)計輸入?yún)?shù)界面，左側(cè)為輸入?yún)?shù)，右側(cè)為結(jié)構(gòu)簡圖;圖7為對應(yīng)的設(shè)計輸出界面。

用戶參考結(jié)構(gòu)簡圖，輸入發(fā)射裝置寬度、長度、高度，以及導(dǎo)彈的掛距、重量、彈射行程和分離速度等相關(guān)設(shè)計參數(shù)，即可獲得設(shè)計輸出參數(shù)。如圖7所示，可得到發(fā)射裝置作動筒的級數(shù)、半徑以及氣瓶體積的初步參數(shù)。

2.部件級

將裝配關(guān)系引入?yún)?shù)化設(shè)計中來，可以解決復(fù)雜的發(fā)射裝置中某個零件無法定位的問題，同時可以進行部件的整體參數(shù)化設(shè)計。發(fā)射裝置裝配模型的結(jié)構(gòu)為樹狀分級裝配結(jié)構(gòu)，各子裝配模型由下一級子裝配模型及零件組成，依此類推直到最后一級裝配。以關(guān)鍵部件- 壓緊裝置中的壓緊塊為例，圖8（a）所示為壓緊塊的尺寸簡圖：螺栓孔直徑為D，長度為L1、L2，高度為;傾斜度為θ;圖8（b）為壓緊裝置的半剖視圖，圖8（c）為壓緊裝置的正視圖，圖9為壓緊裝置參數(shù)化設(shè)計界面。

3.零件級

圖10所示為關(guān)鍵零部件-氣動模塊，以氣動模塊中氣瓶為例，對其進行參數(shù)化設(shè)計，圖11所示為其示意圖。

氣瓶作為彈射發(fā)射過程動力源，其壓強直接決定作動筒的推力，進而影響導(dǎo)彈發(fā)射過程分離速度。氣瓶的體積主要由半徑R和直線段l兩個參數(shù)決定，則氣瓶體積V1可表示為：

（11）

圖12所示為瓶系列化設(shè)計開發(fā)圖，在Solidworks軟件中氣瓶模型系列化設(shè)計具體過程可分為三步：（1）運用SolidWorks系列零件設(shè)計表功能，先建立關(guān)鍵零部件模型，打開特征尺寸，對特征尺寸及名稱進行修改;（2）再插入氣瓶尺寸參數(shù)設(shè)計表格，選擇自動生成，選擇該零件需要變化的尺寸，對尺寸單元格進行相關(guān)設(shè)置，按不同的零件規(guī)格編輯尺寸;（3）編輯完成后點擊空白處，按提示框確定生成不同規(guī)格的零件。通過以上步驟，在配置里可生成幾種不同規(guī)格的零件，根據(jù)設(shè)計需求選擇相應(yīng)的零件。

采用程序驅(qū)動法，調(diào)用SolidWorks API的方法或?qū)傩酝瓿?D模型的參數(shù)設(shè)計。利用SolidWorks中的宏命令錄制代碼程序，通過錄制宏可記錄建模過程中SolidWorks內(nèi)部調(diào)用的各條程序代碼，然后將代碼復(fù)制到二次開發(fā)程序中，調(diào)試完成即可完成參數(shù)化建模。具體實現(xiàn)過程如下：

運用宏工具條上的“打開宏”命令，打開所錄制的宏，進入宏編輯窗口，進行零件建模，建模完成后，單擊停止按鈕進行宏文件的保存。

打開錄制宏的源代碼，將宏復(fù)制到VB編程環(huán)境中;用程序變量代替宏代碼中對應(yīng)的常數(shù)，并查找相關(guān)API函數(shù)，修改宏。

雙擊參數(shù)化設(shè)計界面上的“生成模型”，進入程序編輯界面，將修改后的宏復(fù)制粘貼到編輯界面，并進行程序調(diào)試、試運行，直至得到所需模型。

發(fā)射裝置零件庫是發(fā)射裝置參數(shù)化、系列化設(shè)計的基礎(chǔ)，可分為固定參數(shù)建模和關(guān)鍵參數(shù)建模兩種。固定參數(shù)零部件建模是指可直接調(diào)用裝配的零件，關(guān)鍵零部件建模是指需要改變尺寸參數(shù)及其特征，對零部件模型更新后才能使用[15]。

圖13所示為模型庫部分零件圖示例。

結(jié)論

武器裝備自動化設(shè)計開發(fā)是目前各國研究熱點，文章中在對某型內(nèi)埋式雙作動筒彈射式發(fā)射裝置功能結(jié)構(gòu)進行模塊劃分、工作原理闡述的基礎(chǔ)上，建立了各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系模型;進而運用SolidWorks、VB及Access軟件，分別進行了系統(tǒng)級、部件級及零件級的通用化、系列化、模塊化設(shè)計，構(gòu)建了某型內(nèi)埋式雙作動筒彈射式發(fā)射裝置模型庫;并以氣動模塊和壓緊裝置為例，對系統(tǒng)的有效性進行了驗證。本文提出的模塊化、系列化設(shè)計方法，可為解決我國導(dǎo)彈發(fā)射裝置通用化程度低、發(fā)射裝置類型單一等問題提供借鑒;同時，可有效地縮短發(fā)射裝置的研發(fā)周期，提升設(shè)計效率，也為同類型產(chǎn)品設(shè)計提供參考。

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