NX平台下枪管CAD/CAE一体化系统开发

朱博文，高跃飞，王月桐，刘 松

(中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051)

枪管作为自动武器中主要的零部件之一，是完成武器射击的基本零件。枪管结构主要包括内膛锥数、线膛结构和枪口形状等结构特征，这些特征将会根据选择的不同，产生多种多样的枪管结构形状，势必会给枪管建模及后续的仿真增加难度。目前枪管设计主要是应用CAD软件完成三维实体建模等工作，后续通过CAE软件模拟仿真完成诸如枪管模态分析等方面的工作，并利用仿真结果优化结构设计。但目前结构设计和仿真是相对独立的两个软件系统，难以有效进行CAD和CAE模块之间的数据交换等工作，使枪管的设计与分析过程增加了不必要的麻烦。

为了更好地实现CAE辅助CAD设计，笔者在UG平台上，利用UG参数化建模技术和二次开发专有模块[1-3]，依据枪管设计与分析的设计流程，开发了面向枪管设计分析全流程的CAD/CAE集成系统。真正实现了“设计-分析-修改-优化”的闭式循环设计流程[4]，协助设计人员在UG 环境下快速进行枪管结构设计并验证设计方案，极大地提高了产品设计效率。

1 系统设计

1.1 系统框架

软件总体构架为典型的4层体系结构，包括用户层、应用层、驱动层及数据层，如图1所示。

数据层存储了制式枪管模型库，并适时管理设计过程中的用户信息与设计参数、任务文件与临时数据、结构模型及仿真数据。

驱动层是通过软件接口，在商用UG软件中，调用相关功能模块，并嵌套到本系统中，完成枪管结构设计计算、参数化建模及有限元分析，并对其产生的相关数据进行统一管理，达到对这些软件的封装与集成。

应用层是软件的主要业务逻辑层，也就是软件各功能模块的所在。主要包含了设计计算、结构设计及仿真分析等。

用户层是软件的交互层，用户在UG软件下，通过菜单项或对话框，可调用并执行相应的功能模型。

1.2 开发流程

枪管设计分析一体化系统主要包括具有参数化建模功能的实体建模模块和具有自动仿真功能的模拟仿真模块两大部分。

首先,需根据枪管设计要求提取相关设计参数，为后续设计提供依据，之后依次进行内膛和外形的结构形式和参数的选择，确定枪管实体模型。以此枪管设计流程为基础，建立枪管参数化模板模型，开发完成实体建模模块。

为实现枪管模拟仿真模块的自动化，笔者利用NX的二次开发工具包和特征扩展功能，定制开发枪管仿真模板，完成自动仿真功能。开发流程如图2所示。

2 开发工具及关键技术

2.1 UG二次开发工具

UG/Open 是UG二次开发工具的总称，主要由二次开发语言模块UG/Open Grip、UG/Open API及二次开发辅助工具UG/Open MenuScript、UG/Open UIStyler等组成[5,6]。

UG/Open Grip和UG/Open API是UG二次开发中运用的专有开发语言，都具有外部高级语言如C#、C++等的接口。但相对来说，UG/Open API使用丰富的C语言，功能和数据传递上具有更大的灵活性。利用UG/Open API可以建立与原UG软件应用程序的链接，使新开发的功能可以与原有功能无缝集成[7]，在实践中应用广泛。

辅助工具UG/Open MenuScript和UG/Open Block UIStyler为UG开发用户菜单、界面提供了有效支持。NX的UI Styler应用模块为用户提供了可视化建立NX风格对话框的功能，使用此模块设计NX风格的对话框，能方便地与UG数据模型进行交互操作。

通过建立特定格式(.men)的文件，设计嵌入UG软件的菜单。菜单使用脚本语言编制，语法简单，用户可以方便地对菜单进行编制。设计完成后的对话框和菜单分别如图3、4所示。

2.2 参数化建模技术

在进行参数化建模时，需事先建立参数化模板，后续通过代码或表达式等来驱动模型变化，达到参数化建模的目的。

枪管模型除了需包括矩形、梯形、圆形等6种传统膛线形状外，还增加了新型梯形膛线和无膛线两种膛线结构。另外，有3种结构特征的开膛槽、4种弹膛结构的弹膛椎体和6种特征的枪口形状。

综上所述，要设计出满足基本要求的枪管，需要建立共576(8×3×4×6)种参数化模板，来驱动模型完成枪管设计。如果按传统方法对枪管进行建模，不仅工作量巨大，而且将会占据大量的内存，不利于软件运行。

根据UG本身具有的功能，决定采用表达式抑制特征的方式建立模板，将多个类型的结构集成于一个模型下进行操作，这样解决了模板数量巨大的问题。

UG中的抑制特征，是将模型中的某一特征临时移除，可使用表达式完成抑制特征的功能,如图5所示。通过表达式抑制的方法建立参数化模板，即可将同一特征的不同类型形状集中在一个建模环境中，例如膛线类型、枪口形状等，最后可将这几百种枪管参数化模板合成一个，这将大大节约程序的可操作空间和枪管模板库，在其他结构设计中也具有推广意义。

2.3 自动仿真

实现CAE仿真主要通过手动添加材料属性，之后加载载荷和约束后，求解得到仿真结果。它虽然可提高虚拟仿真水平和设计效率，但仍需要人为的识别约束位置和载荷添加等。笔者利用UG二次开发技术实现枪管仿真过程的自动化，在仿真界面提前输入仿真参数，只需一键即可完成仿真过程。

2.3.1 模型前处理

枪管是一个具有复杂内膛结构与外部形状的管形构件，即使只考虑内压和外压作用，要精确分析枪管壁内应力应变也是很困难的。在处理机械强度设计问题时，常常要对某些承载结构加以分析，并作必要的简化与假设。

枪管内膛复杂的膛线结构对网格的划分和载荷的添加带来很大不便，而膛线结构主要影响内膛疲劳强度，对管壁强度影响不大，因此在管壁强度分析中可忽略膛线结构，以阴线直径为枪管内径作简化处理。

枪口形状对枪管仿真分析影响不大，而且对网格划分带来不便，在设计过程中，去除膛线时，同时去除枪口形状。

笔者利用表达式抑制特征进行参数化建模的优势，通过表达式的改变来完成模型的前处理。利用表达式抑制模型的枪口形状及膛线结构，通过上述代码去除膛线和枪口形状后的模型如图6所示。

2.3.2 新建材料与划分网格

新建材料所需的参数：密度、杨氏模量、泊松比、屈服强度。考虑温度影响时，输入的材料力学参数为随温度变化的曲线数据，以“字段”方式添加。

本部分技术难点是如何通过代码来确定材料参数及数据的输入。通过录制相关函数，并提取所输入的相关参数，通过界面加以驱动和更新，达到各参数的输入。

其余材料属性同材料密度的设置相同，UG软件本身材料添加须有屈服强度、剪切强度等，不需要的材料属性均不必理会，系统会采取默认。

2.3.3 添加约束与载荷

约束与载荷的添加都需要与特征面进行交互，并且对枪管来说，载荷的添加更加复杂。

枪管所受内压载荷采用强度计算中的平均压力曲线或高低温压力曲线，载荷方向垂直管壁表面，无轴向力作用。在UG有限元分析中，压力载荷可通过“2D单元或3D单元面上的法向压力-空间”载荷类型添加到内膛表面。载荷数据文件为文本文件，数据结构为以长度为第1列数据的x2矩阵，数据文件通过“字段”导入模型。

施加约束与载荷，约束界面如图7所示，虽然通过手动方式添加约束及载荷较为直观，但是较为繁琐，仍达不到自动化的程度。采用代码可实现自动化，但对于约束面及载荷面的选择就尤为重要。

在建模过程中，通过给定所需面一定意义的名称，后续通过UF_OBJ_cycle_by_name_and_type遍历对象的名称和类型确定各面。通过Create-BcBuilderForConstraintDescriptor等函数对各面施加约束等，完成放置模型的自动化设置。

完成仿真模型设置以后，用户通过对话框对上述材料属性等参数进行更改，通过求解命令，完成整个仿真求解过程，实现枪管的自动化仿真。

3 实例

以某6.72 mm型号自动步枪[8]为例，启动UG/NX软件，选择如图3所示菜单选项，弹出图4对话框；依据左侧向导，按照顺序依次完成参数输入、内膛设计、外形设计的数据输入；数据输入完成后，即可进行对枪管的强度校核和匹配检查；校核完成，符合要求后，可生成枪管模型，并在仿真分析框中进行仿真分析，对话框如图8所示。

进行仿真分析之前，点击“模型处理”按钮，完成模型的前处理；之后输入网格参数和材料参数，通过选择特定格式的膛压数据文件完成载荷的添加；点击“求解”按钮，完成整个设计分析过程，仿真结果如图9、10所示。

经过本软件对生成的模型与原有模型进行对比，可知生成的模型符合枪管设计要求，与原有模型尺寸差别可忽略不计。仿真结果与原有仿真结果对比后发现，枪管仿真后枪管最大、最小变形量和最大应力点基本一致，满足设计人员对枪管分析的基本要求，具有参考价值。

4 结束语

笔者对基于UG/NX平台的枪管设计分析一体化系统进行了分析和讨论，利用UG本身功能和二次开发技术，实现枪管CAD设计与CAE仿真模型的一体化集成，使枪管设计与分析完全集成于UG环境中，有效地节省手动建模时间及常规仿真的繁琐步骤，并通过实例验证了该系统的可行性和实用性，为其他零件的设计分析一体化集成提供了参考。

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