賀　謙， 席　平

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100083)

彈體結(jié)構(gòu)自頂向下的參數(shù)化裝配體建模方法

賀謙， 席平

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100083)

為提高導(dǎo)彈彈體建模的質(zhì)量和效率，對彈體結(jié)構(gòu)的建模過程進(jìn)行研究。提出了彈體結(jié)構(gòu)的自頂向下的參數(shù)化裝配體建模方法。以UG為平臺，開發(fā)了彈體結(jié)構(gòu)快速建模系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了彈體結(jié)構(gòu)快速建模、模型快速修改和對整個(gè)裝配體的參數(shù)驅(qū)動和參數(shù)管理。選取典型彈體結(jié)構(gòu)為實(shí)例，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

彈體結(jié)構(gòu)；自頂向下；參數(shù)化裝配體；參數(shù)化建模

彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，不僅涉及工藝、強(qiáng)度、氣動彈性、疲勞、損傷容限等多個(gè)學(xué)科，設(shè)計(jì)難度大，而且還涉及了總體、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、系統(tǒng)等多個(gè)部門，需要協(xié)調(diào)各方關(guān)系，滿足諸多約束條件。同時(shí)，需要對導(dǎo)彈外形、彈翼、彈身、艙段等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，往往需要多次迭代，參數(shù)修改頻繁，需要不斷重建模型，存在大量重復(fù)工作，造成設(shè)計(jì)人員時(shí)間和精力的大量浪費(fèi)。

當(dāng)前彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作缺乏統(tǒng)一的建模規(guī)范，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體思路和設(shè)計(jì)過程很大程度取決于設(shè)計(jì)人員的個(gè)人設(shè)計(jì)風(fēng)格，模型的傳承性、通用性較差。因此需要一套完整的設(shè)計(jì)規(guī)范，建模過程與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化顯得很有必要。

傳統(tǒng)的自底向上的零件參數(shù)化建模，可以實(shí)現(xiàn)零件的快速建模和參數(shù)驅(qū)動，縮短模型重建的時(shí)間。但是，零件設(shè)計(jì)過程相互獨(dú)立，無法在零件間建立有效地相互引用，零件的參數(shù)只能驅(qū)動該零件，無法驅(qū)動其他零件。涉及到復(fù)雜裝配體，零件間、部件間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，模型重建就會產(chǎn)生問題。

這時(shí)采用自頂向下的建模思想，建立參數(shù)化裝配體，就顯得很有必要[1-2]。自頂向下設(shè)計(jì)可以使下層零部件繼承上層的設(shè)計(jì)控制信息，以這些信息為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)零部件，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)擁有主線，方便對設(shè)計(jì)信息的管理和應(yīng)用，也方便協(xié)調(diào)各部門和設(shè)計(jì)人員，規(guī)范設(shè)計(jì)過程。同時(shí)，整個(gè)裝配體的參數(shù)化能夠使零部件間參數(shù)相互引用，明確裝配關(guān)系，便于模型能夠迅速重建和更改。

本文采用一種導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)自頂向下的參數(shù)化裝配體建模方法，在充分分析彈體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)的快速建模、快速修改和參數(shù)管理。開發(fā)了基于UG/NX軟件平臺某型號導(dǎo)彈的參數(shù)化自動建模系統(tǒng)，并適應(yīng)TeamCenter(UG的PLM系統(tǒng))環(huán)境。借助該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)的快速建模和修改，方便協(xié)同設(shè)計(jì)和管理，有利于設(shè)計(jì)的規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)化，提高設(shè)計(jì)效率。

1　彈體結(jié)構(gòu)分析

導(dǎo)彈彈體指的是由彈身、氣動力面(彈翼、操縱面、穩(wěn)定面等)、彈上機(jī)構(gòu)(分離機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)等)及一些零、組、部件連接組合而成的具有良好氣動外形的殼體。彈體結(jié)構(gòu)比較多且復(fù)雜，本文選取一些典型結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明。

1.1坐標(biāo)系

全局坐標(biāo)系設(shè)定如圖 1所示，彈頭為原點(diǎn)，導(dǎo)彈軸線為X軸，由彈頭指向尾部為正；Y軸為導(dǎo)彈的水平基準(zhǔn)面法向，由彈身內(nèi)部指向外側(cè)為正，Z軸符合右手法則。全局坐標(biāo)系確定了整個(gè)彈體的布局，即導(dǎo)彈沿X軸中心對稱分布，各個(gè)艙段所在站位面與X坐標(biāo)有關(guān)，由于導(dǎo)彈是可以沿X軸旋轉(zhuǎn)的，因此Y軸和Z軸沒有定位意義。

圖1　全局坐標(biāo)系示意圖

如圖2所示局部坐標(biāo)系為翼面局部坐標(biāo)系，定義如下：原點(diǎn) O′為翼面前緣與彈身曲面交點(diǎn)，X′軸平行于彈身軸線，由彈頭指向彈尾正；Y′軸為翼展方向，由根弦指向梢弦為正，Z′軸滿足右手法則。值得注意的是，導(dǎo)彈具有多個(gè)方向的彈翼，這樣每個(gè)彈翼都有唯一確定的局部坐標(biāo)系，在確定幾何元素的位置關(guān)系時(shí)，如采用全局坐標(biāo)系，則Y、Z坐標(biāo)不能使用，其定位就比較困難。而使用程序建模，需要大量的坐標(biāo)比對，以識別幾何元素，程序建模難度會很大。但建模時(shí)采用局部坐標(biāo)系，則可以解決此問題。

圖2　翼面局部坐標(biāo)系

1.2模型結(jié)構(gòu)

彈翼、艙段加強(qiáng)筋和艙段對接環(huán)是最為典型的彈體結(jié)構(gòu)，其中彈翼包含 3種類型，具體如圖 3所示。

圖3　典型彈體結(jié)構(gòu)

如圖4所示，彈翼模型包括接頭、框架、蒙皮、前緣、蜂窩(蜂窩結(jié)構(gòu)彈翼)、骨架(骨架結(jié)構(gòu)彈翼，包括梁和肋2種骨架)等結(jié)構(gòu)。

圖4　彈翼模型結(jié)構(gòu)

2　建模方法

2.1UG對參數(shù)化裝配體的技術(shù)支持

UG對參數(shù)化裝配體提供了技術(shù)支持，分別是IPEs和UG/WAVE，使得模型零部件間的尺寸參數(shù)和幾何信息可以相互關(guān)聯(lián)。具體如下：

(1) 尺寸參數(shù)的關(guān)聯(lián)：通常，在UG中不同零件的參數(shù)是互不相關(guān)的，為了使不同零部件間模型數(shù)據(jù)可以交流，UG提供interpart expressions(IPEs)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同零件間的參數(shù)的相互引用，包括參數(shù)引用和表達(dá)式引用2種方式見圖5。

①參數(shù)引用，例如PartB的mb參數(shù)引用PartA 的ma參數(shù)：

②表達(dá)式引用，例如PartC的mc參數(shù)通過其他零部件的參數(shù)ma和參數(shù)mb計(jì)算得來：

如圖5所示，表達(dá)式bz_1可稱為主要參數(shù)，bx_2可稱為引用參數(shù)。

圖5　UG參數(shù)表達(dá)式表

(2) 幾何信息的關(guān)聯(lián)：UG/WAVE可以將一個(gè)零件中的點(diǎn)、線、面、體或特征等的幾何信息提取出來并復(fù)制，作為其他零件或子裝配體的定位基準(zhǔn)或控制結(jié)構(gòu)[3]。

UG/WAVE使得零部件間的幾何形狀關(guān)聯(lián)，如果上游形狀信息變化，相關(guān)聯(lián)的模型(包括其生成的工程圖)也會同步變化。

2.2自頂向下設(shè)計(jì)方法

自頂向下設(shè)計(jì)就是從產(chǎn)品的頂層開始，通過在裝配中建立零件來完成整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法。自頂向下的設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)從原理布局向裝配結(jié)構(gòu)傳遞，零件與零件之間也能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，可以保證裝配結(jié)構(gòu)整體的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性及約束信息，更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)[4-5]。

模型設(shè)計(jì)流程如圖6所示，零件獲得上游模型參考元素(坐標(biāo)系、站位面、基準(zhǔn)面等)后，根據(jù)模型特征建立模型。

在UG中，可以采用IPEs和UG/WAVE技術(shù)協(xié)助完成自頂向下設(shè)計(jì)。

如圖7所示，自頂向下建模時(shí)，首先需要確定裝配體的結(jié)構(gòu)，各個(gè)零部件的上下游關(guān)系，然后確定和創(chuàng)建上游模型的主要參數(shù)，同時(shí)確定鏈接給下游的幾何元素(基準(zhǔn)平面，形狀，坐標(biāo)系等)和尺寸參數(shù)，通過WAVE和IPEs技術(shù)將它們鏈接給下游模型。

圖6　自頂向下設(shè)計(jì)流程

圖7　自頂向下建模示意圖

例如，在骨架結(jié)構(gòu)彈翼建模時(shí)，模型結(jié)構(gòu)如圖4所示，頂層模型是彈翼的翼面外形或者翼面實(shí)體。去除一些不規(guī)則結(jié)構(gòu)或不必要特征，將縫合處理成翼面實(shí)體。

根據(jù)1.1節(jié)所述，通過翼面前緣端點(diǎn)，翼面前后緣線組成弦平面的法線和絕對坐標(biāo)系的X軸生成局部坐標(biāo)系。將此坐標(biāo)系和彈翼翼面通過WAVE鏈接到下游各個(gè)模型。

下游零部件以鏈接的翼面和坐標(biāo)系等為起點(diǎn)開始建模，這樣，如果下游零件內(nèi)特征樹關(guān)聯(lián)鏈不斷，頂層模型就能起到形狀控制的作用，當(dāng)頂層模型形狀修改時(shí)，下游模型會同步修改。

根據(jù)各零部件的結(jié)構(gòu)，確定其主要參數(shù)和引用參數(shù)。如圖8所示，根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)和拓?fù)潢P(guān)系，頂層模型參數(shù)(彈翼總體外形參數(shù)，包括框架外形參數(shù)T1-T7、前緣定位參數(shù)K1-K3、蒙皮和接頭外形參數(shù)J2、J3等，詳見圖15)依次引用給下游，同時(shí)框架引用接頭、上下蒙皮和前緣尺寸參數(shù)，梁和肋引用框架外形尺寸。

如此，通過鏈接幾何圖形與參數(shù)引用，能使得不同零部件間關(guān)聯(lián)起來。

圖8　骨架結(jié)構(gòu)彈翼參數(shù)引用

2.3參數(shù)化裝配體建模的注意事項(xiàng)

與傳統(tǒng)零件的參數(shù)化建模不同，裝配體的參數(shù)化建模不僅要保證零件參數(shù)化，同時(shí)也要確保上下游零部件間的幾何信息關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝配體的參數(shù)化，建模時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

(1) 經(jīng)過自頂向下設(shè)計(jì)，可以使得裝配體的零部件間相關(guān)聯(lián)，但應(yīng)注意避免參數(shù)的循環(huán)引用、幾何元素鏈接混亂的情況。

(2) 建模時(shí)，必須保證整個(gè)零件特征樹是關(guān)聯(lián)的(associative)，避免特征樹中有非關(guān)聯(lián)操作。UG的一些建模操作是沒有關(guān)聯(lián)性的，例如在一條直線段中插入一個(gè)中點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)是關(guān)聯(lián)的，但在程序中，通過直線段的端點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算生成的點(diǎn)則不具備關(guān)聯(lián)性，假如直線段移動了，這個(gè)點(diǎn)仍保持不動，這樣特征樹的關(guān)聯(lián)鏈就會中斷。

(3) 必須考慮到零部件可能具有不同形狀和形式，使建模方法具有一定通用性。例如，彈翼表面可能是曲面也可能是多段曲面或者多段平面，這時(shí)需要考慮采用的建模方式是否適應(yīng)多種情況。又如圖9，翼面前緣可能有多種截面形式，僅用拉伸切除的方式就無法滿足需求。

(4) 建模過程中適當(dāng)考慮編程方便性。例如，畫草圖拉伸實(shí)現(xiàn)一個(gè)特征從編程角度上，比求交線(intersection curve)拉伸復(fù)雜。又如圖10，對于不同截面形狀的筋，如果每種形狀都有按其特有的方式建模，模型會較為復(fù)雜，編程容易出錯(cuò)，建模過程也不規(guī)范，因此有必要尋找截面造型的規(guī)律，找到其共同點(diǎn)，按照切割(trim body)，抽殼(shell)組合的方式統(tǒng)一建模。

圖9　前緣截面形式

圖10　筋截面形式

2.4協(xié)同設(shè)計(jì)與產(chǎn)品管理

UG/TeamCenter(TC)是UG的PLM(產(chǎn)品生命周期管理)系統(tǒng)，在TC環(huán)境中，也可以啟動UG/NX，對產(chǎn)品進(jìn)行建模和修改等。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員對可以模型任意修改，模型文件任意放置，容易造成版本的遺漏和混亂，模型重建、修改過多可能會造成混淆和錯(cuò)誤，任務(wù)分配后容易各自為戰(zhàn)，缺乏統(tǒng)一的建模規(guī)范，難以管理等。TC可以將產(chǎn)品文件和文檔等置于服務(wù)器中，設(shè)計(jì)人員需下載修改，每次都有修改記錄和備份，方便對產(chǎn)品授權(quán)和版本管理，可以解決上述問題，方便各部門分工和協(xié)同設(shè)計(jì)，在各研究所和企業(yè)中廣泛使用。

因此，建模系統(tǒng)需適應(yīng)TeamCenter環(huán)境，TC環(huán)境和UG/NX在建模時(shí)區(qū)別不大，但在新建零部件時(shí)TC需要定義零部件名字(part name)、版本(part revision)，種類(part type)。編寫代碼時(shí)需要對文件名編碼(encode filename)，引用表達(dá)式時(shí)，注意引用正確的模型名稱。

3　參數(shù)化建模系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)功能模塊

典型彈體結(jié)構(gòu)建模系統(tǒng)的功能模塊如圖 11所示，該系統(tǒng)主要有設(shè)計(jì)工具和參數(shù)編輯工具，設(shè)計(jì)工具按照設(shè)計(jì)模型的位置，分為翼舵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別包括骨架結(jié)構(gòu)彈翼設(shè)計(jì)模塊、蜂窩結(jié)構(gòu)彈翼設(shè)計(jì)模塊、實(shí)心結(jié)構(gòu)彈翼設(shè)計(jì)模塊和對接環(huán)設(shè)計(jì)模塊、加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)模塊。針對彈體結(jié)構(gòu)模型的管理，開發(fā)了參數(shù)編輯工具，管理模型的參數(shù)和特征等。

圖11　典型彈體結(jié)構(gòu)建模系統(tǒng)的功能模塊

3.2系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖 12所示，系統(tǒng)基于UG/NX 8.0，采用Visual Studio 2010 和UG聯(lián)合的方式開發(fā)。

UG存在很多提供給用戶的二次開發(fā)方式，如NXOpen、UFUN、KF等。

其中NXOpen開發(fā)方式對應(yīng)的對話框?yàn)锽lock UI，Block UI 界面與傳統(tǒng)UI界面相比，更符合現(xiàn)版本的UG界面風(fēng)格，同時(shí)提供了功能更加強(qiáng)大的界面操作函數(shù)，具有良好的開發(fā)性。例如，Block UI提供很多選擇模塊，能夠自動識別平面、點(diǎn)、實(shí)體、坐標(biāo)系等，在用戶選中時(shí)能夠自動高亮顯示，能夠精簡開發(fā)工作量。同時(shí)，NXOpen的建模函數(shù)可以設(shè)置關(guān)聯(lián)性(associative)，保證模型的參數(shù)化。

由于傳統(tǒng)的UFUN開發(fā)方式比較成熟，在基礎(chǔ)操作如幾何元素(點(diǎn)、線、面等)的識別和判斷方面較穩(wěn)定。所以采用NXOpen函數(shù)建模和UFUN函數(shù)輔助操作的方式開發(fā)建模系統(tǒng)。

基本建模操作例如拉伸(extrude)、切除(trim body)、倒角(edge blend)等，采用UG Journal功能錄制(record)封裝成函數(shù)使用，可以減少大量開發(fā)時(shí)間，準(zhǔn)確性和標(biāo)準(zhǔn)性更高，函數(shù)的編寫更規(guī)范。

圖12　系統(tǒng)程序開發(fā)流程圖

3.3交互界面

彈體結(jié)構(gòu)建模系統(tǒng)的菜單利用MenuScrip語言編寫菜單腳本，創(chuàng)建彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)工具條，集成到UG軟件建模環(huán)境中。如圖13所示。

圖13　系統(tǒng)菜單設(shè)計(jì)

程序交互界面采用UG的Block UI設(shè)計(jì)搭建，界面風(fēng)格保持與UG 8.0風(fēng)格一致，堅(jiān)持簡潔明了、層次分明的原則，如圖14、15所示。

圖14　蜂窩結(jié)構(gòu)彈翼設(shè)計(jì)交互界面

圖15　參數(shù)編輯工具界面

3.4系統(tǒng)生成模型實(shí)例

系統(tǒng)生成的典型彈體結(jié)構(gòu)模型如圖 16、17所示，都為參數(shù)化裝配體模型，結(jié)合使用參數(shù)編輯工具，可以管理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)裝配體進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動和更新。

圖16　加強(qiáng)筋模型

圖17　蜂窩結(jié)構(gòu)彈翼模型

以蜂窩結(jié)構(gòu)彈翼中的框架為例，鏈接彈翼外形和參數(shù)引用與2.2節(jié)骨架結(jié)構(gòu)彈翼相似，這樣能獲得圖18(a)所示的鏈接體和局部坐標(biāo)系，要獲得圖 18(b)所示的成型模型，方法有很多。出于關(guān)聯(lián)性和編程方便考慮，本文采用參數(shù)化的特征建模方法，即以鏈接體和局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，根據(jù)尺寸和位置關(guān)系建立相關(guān)基準(zhǔn)，如圖18(c)所示?；鶞?zhǔn)和模型實(shí)體通過抽取體、修剪體、抽殼、拔模等關(guān)聯(lián)建模操作，依次創(chuàng)建小塊特征，最后通過布爾操作形成最終模型。避免了以草圖為起點(diǎn)的傳統(tǒng)建模方法，確保了零件內(nèi)特征樹的關(guān)聯(lián)。

圖18　蜂窩結(jié)構(gòu)彈翼框架模型

4　結(jié)　論

對于導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)，首先分析模型，確定零部件上下游關(guān)系、主要參數(shù)和引用參數(shù)、需要鏈接的幾何信息；然后通過UG/WAVE鏈接幾何信息，通過IPEs在零部件間引用參數(shù)，實(shí)現(xiàn)上下游模型間的關(guān)聯(lián)；在零件內(nèi)部使用參數(shù)化的特征建模方法，以鏈接的幾何信息為起點(diǎn)，建立模型，實(shí)現(xiàn)零件內(nèi)特征鏈的關(guān)聯(lián)；同時(shí)兼顧編程方便。這樣，建立整個(gè)裝配體的參數(shù)化模型，實(shí)現(xiàn)裝配體的快速建模和管理，提高建模和修改效率，方便設(shè)計(jì)人員的協(xié)同設(shè)計(jì)，對彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化有借鑒意義。

[1] 咸斌. 基于關(guān)聯(lián)技術(shù)的自頂向下設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2005, (7): 29-31.

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Top-Down Parametric Assembly Modeling Method of Missile Body Structure

He Qian,Xi Ping

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100083, China)

In order to improve the design quality and efficiency of the modeling process of missile body structure, modeling process of missile body structure was studied. The structure of missile body top-down parameters assembly ligand modeling method was presented. Based on UG platform, missile body structure modeling system was developed, in which the missile body structure modeling, model rapid change and assembly parameters driving and management as the whole were realized. Used the typical structure of missile body structure as an example, the feasibility and effectiveness of the method were verified.

missile body structure; top-down; parametric assembly; parametric modeling

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016020193

A

2095-302X(2016)02-0193-06

2015-06-25；定稿日期：2015-07-20

賀謙(1991–)，男，湖南湘潭人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)镃AD。E-mail：463779198@qq.com

席平(1954–)，女，陜西西安人，教授，博士。主要研究方向?yàn)轱w行器數(shù)字化設(shè)計(jì)、復(fù)雜曲面造型、知識工程。E-mail：xiping@buaa.edu.cn