一种火炮身管的模板化设计方法

赵 萌，温 波，王在森，张 铭

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

火炮身管是实现火炮发射弹丸的核心零部件，所承受的载荷主要来自发射时的火药气体压力、弹丸沿膛内运动阻力(矩)、弹丸出炮口时的炮口制退力、后坐阻力、惯性力(矩)和冲击碰撞力等，同时，身管内壁伴随着承受高温、烧蚀作用和冲击振动。因此，其设计既要根据膛内火药气体作用条件，确定身管的外形、内膛(含药室、坡膛和膛线)等几何结构参数，更要根据压力、冲击和温度等优化身管的厚度、刚度和强度等物理力学参数。经过多年的发展，身管的设计已经积累了大量成熟的经验、方法和数据，能够为各种身管设计提供有效的技术支撑。

身管设计需要多次迭代及优化以获得工程最佳的结果。传统的CAD设计侧重于几何的实体表达，不仅建模过程繁琐，在模型的参数化、通用化和重用性上均存在较大的困难，而且难以与必要的仿真分析结构紧密相连。模板化设计是将设计对象的相关参数与一定的设计条件相关联，封装相应的知识、参数和算法等，并且按照一定的流程进行固化，使设计人员只需输入关键参数就可以快速形成优化的设计方案，简化了设计过程，保证了设计质量又提高了效率，是进行初始原型设计的有效手段[1-2]。

1 身管设计

传统的药筒定装药式身管设计[3-4]流程如图1所示。

从图1中可以看出，传统的药筒定装药式身管设计在外弹道设计完成后，需经过药室结构设计、身管强度设计和身管内膛设计3个过程。其中，身管药室结构设计要满足内、外弹道对身管提出的各个参量(如口径、弹丸行程、药室容积、膛线等)的要求以及合理的炮膛结构；身管外形设计主要考虑身管与炮闩、炮尾、摇架等的匹配，同反后坐装置的连接以及对炮身质量、质心的要求等；身管刚强度设计采用工程力学方法研究身管强度、刚度和振动等特性。这3个设计过程需要通过多次迭代、重复才能得到满足设计要求的身管设计方案。

由此可见：传统的药筒定装药式身管设计方法费时、费力；上一次设计循环的设计参数在一次设计循环中要重新输入和建立；身管设计的各个环节相对独立分散，设计使用的软件和计算工具不通用，没有把整个设计过程统一在一个环境下，不能适应现代火炮身管数字化设计的要求。

针对上述火炮身管的设计过程和特点，为提高设计效率，需通过研究身管结构的典型特征、参数提取与参数化建模、相关设计知识的梳理，确定参数间的关联关系及身管三维结构设计与多学科仿真分析交互迭代的流程，采用先进的Flexware软件工具，建立参数化、流程自动化的身管设计模板。

2 Flexware开发工具简介

Flexware是一个集成的软件工具，可以将许多商用软件、CAD模型、脚本等封装成为一个模板，并将主流软件UI界定的功能拓宽到API界定的功能，使其基础类库API成为Flexware应用的可编程资源；也可以将专用程序封装形成算法模板，并提供用户自构建业务系统的能力，如用户自定义逻辑流等。在制作模板的过程中还提供了提取参数、定制表单、创建流程等功能。Flexware的功能如图2所示。

3 基于Flexware的身管模板化设计

3.1 知识梳理和参数提取

首先，依据火炮身管的现代设计理论，梳理出身管设计过程中的关键参数。身管的设计参数中不仅有结构几何参数还包括影响身管强度设计的各项性能参数，例如身管材料各项系数、安全系数、强度极限、膛压和身管寿命等。表1为单筒身管设计参数。

表1 身管设计参数

3.2 参数化建模

参数化建模是指用参数表达式来表示产品的尺寸关联和属性，通过修改零件的特定参数，达到快速修改设计模型或衍生出相同的几何形状及不同几何尺寸的同类模型。

根据知识梳理提取得身管设计参数，在UG环境下应用UG/Open二次开发工具建立身管的参数化设计模型。并根据身管药室、坡膛和膛线等结构特征确定各个部分尺寸相互驱动方案，如身管药室的容积取决于内弹道设计，其结构形式和尺寸则取决于弹丸的装填方式和弹丸外形尺寸；坡膛的几何结构通常为一截圆锥，将圆锥2个端点的坐标设为关联参数即可驱动坡膛部分的几何尺寸变更。

之后利用MenuScript菜单定制功能及UIStyle用户界面编辑器，以身管设计的基本参数生成用户化的对话框。通过UG主菜单和快速弹出式下拉菜单，修改对话框里身管基本参数来获取不同的身管模型。

3.3 参数关联

身管模板化设计的实现不仅需要将设计过程中的参数化几何零件和自研计算程序以模板的方式进行封装，还能对模板之间的输入输出参数进行提取和定义，通过建立模板之间参数的输入和输出关系来实现参数的关联。表2是身管设计参数间的关联关系。

表2 参数间的关联关系

3.4 封装

3.4.1 内弹道计算程序封装

内弹道计算程序是根据内弹道理论建立的数学模型，用C或Fortrun计算机语言自编的计算软件。它将炮膛结构诸元和装药条件与射击结果联系起来，通过软件程序计算得到身管膛内的p-t、p-l、v-t、v-l关系数据曲线。应用Flexware将该计算程序封装，以内弹道已知参数为输入量，将膛内火药气体压力列为输出量，此参数传递给下游身管强度设计，且膛内火药气体压力是决定身管材料和壁厚的基本依据。

3.4.2 强度理论计算程序封装

火炮身管强度设计大都采用高低温压力曲线作为依据。传统的方法是利用内弹道计算程序，分别计算出药温50℃、15℃、-40℃时的膛压曲线，然后取其包络形成高低温压力曲线。模板化设计则是依据上游封装的内弹道计算模块输出的内弹道压力表得出50℃、15℃、-40℃时的身管设计压力曲线，用M语言编程拟合出身管最大压力曲线即高低温压力曲线。用Flexware软件对此计算程序进行封装，将内弹道组件输出的膛内火药气体压力表列为输入量，编程计算出的高低温压力曲线列为输出量。

3.4.3 强度校核组件封装

身管材料及膛线各参量确定后，还要校核膛线的强度。校核膛线时，采用第三强度理论的相当应力计算膛线强度。设计人员只要输入所选用身管材料的比例极限、膛线的结构参量(膛线深、阳线宽、炮膛截面面积、弹带平均宽度)、危险截面参数及弹丸质量就能进行膛线的强度校核。

3.4.4 UG实体类模型封装

所谓实体类型模板，即将参数化建模的身管实体模型文件的参数用Flexware进行管理，以实现参数化模型的有效复用，并实现这些模型之间的参数关联和这些模型与其他类型模板(如封装程序模板)之间的参数关联。实体类型模板执行时，设计人员只需要通过模板的交互界面输入参数，Flexware通过其解析机制根据输入参数解析实体模型的对应参数，驱动实体模型进行参数更新，并在UG中生成相应模型如图3所示。

3.5 流程固化

火炮身管的快速设计模板需要能够通过流程建立模板之间的关联、整合设计步骤，将已有模板组合成设计流程，实现流程固化。在创建设计流程的同时，定义流程中模板之间的参数传递关系。图4是基于身管设计流程建立的复杂流程模板，在流程执行过程中，模板之间的参数能够实现自动传递。单个设计模板可以看作流程模板的特例能够单独执行。

4 结束语

本文将模板化的思想与Flexware软件本身对商业软件的封装功能结合起来综合运用于身管设计中，通过对相关设计知识的提取、流程的梳理及封装各类模板将整个设计过程整合在一个环境下，改变了传统设计过程中各个工作环节孤立、重复性劳动较多的问题，提高了身管设计的智能性和对设计人员的辅助功能。

应用模板化设计[5-6]思想与技术，可以将一些工作中非常繁琐但是存在规律性的工作，通过总结其规律并将其固化成流程的方式来简化工作，实现相关知识的有效复用，进而帮助形成快速设计和验证的能力。

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