基于特征的杀爆弹建模技术研究

梁振刚,陈柏旭,赵书超，南宇翔,赵洪志

(1.沈阳理工大学 装备工程学院,沈阳 110159;2.山东特种工业集团有限公司，山东 淄博 255201;3.中国北方工业公司,北京 100053)

在现代战争中，杀爆弹是应用最广泛，消耗量巨大，改型换代较快的弹药之一，在战场上发挥着非常重要的作用，是现代战争的首选[1]。

建模是杀爆弹设计的重要环节，魏志芳等[2]根据普通杀爆弹的结构和基本尺寸，绘制普通杀爆弹的模板图形，由程序对需要修改尺寸进行驱动建立杀爆弹实体模型；赵良玉等[3]基于CAD描述方法的参数化建模策略对卷弧翼火箭弹进行参数化建模。

在以往杀爆弹设计方面，是在已有的杀爆弹设计模板上根据战斗技术指标的要求对尺寸参数进行调整，新结构的杀爆弹需要构建新的模板以及与之对应的新程序，对工程设计人员操作难度大。

本文通过分析不同结构类型的杀爆弹，提出杀爆弹特征划分方法，建立不同杀爆弹特征的三维模型，通过特征拼接可方便快捷的生成新结构的杀爆弹，可实现新结构类型的杀爆弹的快速建模。

1 杀爆弹结构分析

杀爆弹主要由弹体、装药、弹带、引信等构成，结构如图1所示。弹型有平底杀爆弹、底凹杀爆弹、枣核杀爆弹等多种不同结构类型的杀爆弹[4]。

弹体主要划分为弹头(直线形弹头和圆弧形弹头)、圆柱部以及弹尾(平底弹尾、船尾形弹尾和底凹弹尾)；装药根据结构不同分为圆柱装药及圆弧装药；弹带部分可分为单弹带及双弹带；引信结构复杂，本文只建立简化模型，根据外形不同可分为尖锐形引信、圆弧形引信以及平顶引信[5]。

图1 杀爆弹结构示意图

2 基于特征的建模技术

将杀爆弹划分为多个不同的特征，对特征进行约束后分别进行建模，将各个建模后的特征进行布尔操作或进行各特征间的结构特征约束来建立杀爆弹模型。

2.1 杀爆弹特征分类

特征是一系列基于特定关系的几何或拓扑元素，基于特征的三维建模可分为几何特征和结构特征[6-8]。

几何特征的种类有许多种，包含设计特征和标准特征，其中设计特征为构成杀爆弹三维模型的主要部分，可独立存在，包括杀爆弹的弹体、引信、弹带及装药。标准特征不具有独立性，依赖设计特征，需要附加在设计特征上。结构特征则是用于约束特征的形状和位置。结构特征主要包含工作点、工作轴以及工作平面。杀爆弹的特征划分如图2所示。

图2 杀爆弹特征划分图

2.2 杀爆弹特征分析

根据杀爆弹特征的分类，将杀爆弹的多个几何特征分别分解为基本体素或具有一定几何体素的特征结构图元。

弹头特征、装药特征、圆弧形引信特征、船尾形弹尾特征、底凹弹尾特征、弹带特征和燕尾形弹带槽特征都可分解为直线或直线和圆弧构成的特征结构图元；平顶引信特征、尖锐引信特征、平底弹尾特征和矩形弹带槽可分解为基本体素圆柱、圆锥和圆台。

典型杀爆弹结构如图3所示，图3a为典型杀爆弹外形结构，图3b为典型杀爆弹内腔结构。典型杀爆弹外形结构参数包括杀爆弹口径d、杀爆弹全长l、弹头部长度lt0、弹壳头部长度lh、弹头部外形母线半径R、杀爆弹圆柱部长度ly、杀爆弹弹尾部长度lw、弹尾部截锥部长度lwj、弹尾部倾斜角α。典型杀爆弹内腔结构参数包括内腔深度hp、内腔头部母线的深度hk、内腔锥部长度hkk、内腔在圆柱部上的直径dz、弹壁平均厚度hb、内腔底部直径dd、内腔底部厚度hd。

图3 典型杀爆弹结构示意图

根据典型杀爆弹的结构建立的主要特征尺寸约束方程如下。

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两方面：

(1) 杀爆弹几何特征的创建：确立约束关系后，建立约束方程，在满足约束方程的条件下，通过调用特征建模程序函数建立生成新的杀爆弹几何特征模型，如图4所示。

(2) 特征的拼接：生成弹体、装药、弹带、引信不同特征的几何模型后，通过结构特征约束及布尔运算对特征进行组合后生成所需的不同结构杀爆弹三维模型。

3 杀爆弹特征建模

启动UG进入建模界面后，对于不同结构的杀爆弹，需要在如图5a所示杀爆弹建模系统的菜单项中分别选择构成所需生成的杀爆弹部件特征。

图4 杀爆弹几何特征模型

选择完所需特征后，系统弹出参数修改界面，以圆弧弹头特征为例，弹出如图5b所示界面，在此界面中对特征的参数进行修改，并且存入数据库，存入数据库的特征参数可显示在特征参数修改界面表格内，在此界面中可对保存过的该特征的结构参数进行查看并调用[9]。

图5 杀爆弹建模系统图

弹头特征、圆柱部特征及弹尾特征拼接生成的弹体特征后，将弹带特征拼接到弹体上，拼接组合过程如图6所示。

通过修改特征参数、特征拼接等操作，弹体特征、装药特征、弹带特征、引信特征可以组合生成新结构类型的杀爆弹三维模型。

以某杀爆弹为例，弹头为圆弧弹头，弹尾为底凹弹尾，引信为圆弧引信，装药为圆柱装药，弹带为矩形双弹带，分别建立弹体特征、装药特征、弹带特征、引信特征后组合拼接后生成如图6d所示的杀爆弹三维模型。

图6 杀爆弹拼接组合过程图

4 结论

(1)在分析杀爆弹的结构基础上，依据特征建模技术，将杀爆弹结构划分为弹体、装药、弹带和引信等，根据各部分结构特点完成几何特征与结构特征的划分。

(2)提出基于特征的杀爆弹建模方法，使用C++软件对UG进行二次开发，完成了基于特征的杀爆弹建模程序的开发，可实现新结构类型的杀爆弹的快速建模。