基于Pro/E平臺上的固體火箭發(fā)動機裝藥CAD軟件設計

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發(fā)表于 2008-8-6 13:32:09 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

1 前言
固體火箭發(fā)動機藥柱燃燒過程中燃面面積的精確計算在固體火箭發(fā)動機設計中一直占有重要地位，國內(nèi)外學者對此也提出了很多計算方法，像通用坐標法、有限元素法和邊界坐標法等，但這些方法基本都是數(shù)值法，其輸入復雜，無法顯示燃燒過程中燃面的精確變化，計算精度不高且容易產(chǎn)生燃面波動。隨著計算機軟硬件的飛速發(fā)展，尤其是通用CAD軟件的發(fā)展，為解決這一問題提供了許多基于圖形處理的新方法。
Pro/ENGINEER是美國PTC公司推出的新一代CAD/CAE/CAM軟件，它具有基于特征、全參數(shù)、全相關、單一數(shù)據(jù)庫等特點。自推出以來，由于其強大的功能，很快得到業(yè)內(nèi)人士的普遍歡迎，并迅速成為當今世界最流行的CAD軟件之一。除了上述優(yōu)點外，Pro/ENGINEER提供了完整的二次開發(fā)接口，使得用戶可以基于Pro/ENGINEER平臺開發(fā)定制適合各個行業(yè)的應用軟件。本文正是基于此開發(fā)了固體火箭發(fā)動機裝藥CAD軟件。軟件開發(fā)中利用Pro/ENGINEER 2001提供的二次開發(fā)包Pro/Toolkit和Vc++6.0為工具，充分利用了Pro/ENGINEER強大的三維建模功能和參數(shù)化的特點。
2  軟件設計原理及功能簡介
2.1  菜單設計
由于軟件的功能全部是在零件圖模式下完成的，因此軟件采用模式菜單如圖1、2所示。
2.2  自動建模
軟件之所以要提供自動建模模塊，一方面是為了提高藥柱的建模速度，另一方面是因為軟件要實現(xiàn)推移燃面的功能，因此對作圖方法有一些限制，利用自動建模程序就可完全滿足推移燃面的需要。
Pro/Toolkit提供了三種程序建模的方法：特征描述、簇表、UDF，文獻1對這三種方法做了詳細介紹，該軟件采用相對比較簡單的UDF方法，翼柱形藥柱一般由外輪廓、內(nèi)孔、翼、槽構成。外輪廓采用添加材料的旋轉(zhuǎn)特征構成，內(nèi)孔為孔特征，翼為掃描特征，槽為剪切材料的旋轉(zhuǎn)特征。預先構建這些特征并定義好參考基準、可變尺寸以及可變尺寸的記號（Symbol），然后將這些信息存為一個后綴為gph的文件。通過程序調(diào)用這些文件并給可變尺寸及參考基準重新賦值即可自動產(chǎn)生藥柱模型。圖3為一種類型翼的自動建模窗口，圖4為利用自動建模程序建立的最終藥柱模型。

圖1 主菜單入口

圖2 軟件主菜單

圖3 翼自動建模窗口

圖4 利用自動建模程序建立的藥柱模型

2.3 燃面推移及特征量計算
利用程序每間隔一定的時間修改圖形的一些尺寸（如圓筒形幾何體的內(nèi)孔直徑），由于Pro/ENGINEER具有參數(shù)化特性，尺寸可以驅(qū)動圖形的改變，因此便可模擬出裝藥的整個動態(tài)燃燒過程，再在每一時刻利用Pro/Toolkit提供的函數(shù)精確計算燃燒面積等裝藥參數(shù)即可。然而，程序的具體實現(xiàn)還需要解決以下幾個主要問題。
2.3.1 裝藥中燃面與非燃面的區(qū)分
Pro/Toolkit自身帶有精確計算曲面面積的函數(shù)，既可以計算整個圖形的面積，也可以計算某個曲面的面積。但Pro/ENGINEER并不能自動區(qū)分燃面與非燃面。仔細研究Pro/ENGINEER的建模方法不難看出，在裝藥建模中，所有的非燃面都是通過添加材料方法生產(chǎn)的，而燃面幾乎都是通過非添加材料的方法，如打孔、切割材料等方法生成。因此，通過程序累加各個非添加材料類型的曲面面積，即可精確的計算出燃面面積?？紤]到一般情況下燃面曲面的數(shù)目遠大于非燃面曲面的數(shù)目，因此程序中通過計算總面積和非燃面面積，然后取二者之差，即可求出燃面面積。
2.3.2 平行推移原理的實現(xiàn)
裝藥是按照平行推移規(guī)律燃燒的，因此，仿真燃燒過程時尺寸的改變必須符合平行推移原理，對于簡單幾何特征如圓柱面，只需改變其半徑或直徑即可實現(xiàn)，但對于斜面就必須特殊處理。
斜面定位尺寸在Pro/ENGINEER中一般如圖5所示，在肉厚推移量一定的情況下，改變尺寸d1、d2、d3、d4中任何幾個都不能滿足平行推移，構造線為解決這一問題提供了簡便的方法。構造線在Pro/ENGINEER作圖過程中只起到定位作用，不會為圖形添加新的特征。如圖6所示，可以利用構造線作一與斜面相切的圓，要實現(xiàn)平行推移，只需改變圓的半徑即可。事實上，在裝藥圖形中大多數(shù)相交的面在相交處都有倒角，改變倒角半徑即可實現(xiàn)倒角及與其相切面的平行推移。

圖5 Pro/ENGINEER下斜面的常規(guī)定位

圖6 修改后的斜面定位

2.3.3 驅(qū)動尺寸的選擇
利用尺寸驅(qū)動在Pro/ENGINEER下仿真燃燒，一定要選擇正確的推移尺寸，否則圖形就不會按照預期的平行推移規(guī)律進行推移。驅(qū)動尺寸的選擇最簡單的方法是給出選擇驅(qū)動尺寸菜單，當用戶按下菜單時，圖形尺寸全部顯示出來，讓用戶在其中選擇。這種方法雖然簡單，但對于復雜的裝藥圖形，尺寸非常多，用戶很難確定該選擇哪些尺寸作為驅(qū)動尺寸。如果能利用程序內(nèi)定驅(qū)動尺寸將大大簡化程序的使用。仔細研究藥柱圖形，構成藥柱燃面的特征在平行推移時其中的所有圓?。ò▓A）尺寸一定會隨推移而改變，因此可以內(nèi)定所有圓弧尺寸為燃面推移的驅(qū)動尺寸，這將大大減少用戶選擇的驅(qū)動尺寸，甚至如果尺寸標注的適當，可以不用選驅(qū)動尺寸就可進行計算。圖7和圖8說明的尺寸標注對于驅(qū)動尺寸的影響。圖7中要實現(xiàn)平行推移必須同時改變尺寸d1、d2及r1。圖8中改變標注尺寸，由于圓心在平行推移中位置不發(fā)生改變，豎直邊與水平邊與圓弧保持相切約束，僅改變圓弧尺寸r1就可實現(xiàn)平行推移。圖9為特征量計算菜單，圖10為特征量計算窗口，圖11為燃面推移中的藥柱，圖12、13分別為最終的計算結果和燃面－肉厚曲線。

圖7 Pro/ENGINEER下常規(guī)尺寸標注

圖8修改后的尺寸標注

圖9 特征量計算子菜單

圖10 特征量計算窗口

（a） w＝150mm

（b）w＝250mm
圖11 燃面推移中的藥柱

圖12 特征量計算結果

圖13 燃面——肉厚曲線

2.4 內(nèi)彈道計算
內(nèi)彈道計算是程序的另一個主要模塊，利用上面的燃面計算結果，通過內(nèi)彈道計算程序，最終可以得到內(nèi)彈道結果及內(nèi)彈道曲線。
3 結束語
本文介紹了利用Pro/ENGINEER 2001的二次開發(fā)技術開發(fā)的固體火箭發(fā)動機裝藥CAD軟件?！罢驹诰奕说募缟?，何必平地而起”，雖然軟件很小，但由于充分利用了Pro/ENGINEER 2001的強大功能，從而實現(xiàn)了相對比較強大的功能。該軟件現(xiàn)在已經(jīng)應用于我院的設計工作中，通過實際的使用表明，該軟件界面友好，易于使用，計算結果精度高，并且為工程制圖和設計計算之間提供了紐帶，大大提高了設計人員的工作效率。