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半穿甲战斗部CAD系统研究
作者:杨云斌 卢永刚 周岩
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EDA/专用CAD软件展厅
EDA, 电气CAD软件, ...
引言

半穿甲战斗部SAPW(Semi-Armor-Piercing Warheada主要用于打击敌大、中型海面舰船和有防护装甲的目标,是海、空军的重要作战武器,它既具有一定的穿甲能力,又具有一定的爆破威力,由于其独特的性能特点,现已经得到了广泛的研究和应用。专业领域的CAD系统是开发商的盲区,由于其专业设计知识不足,很难投入力量与用户合作进行这类专业设计软件的开发。因此,企业自己组织人力,有计划地开发专业CAD系统,是保证该领域技术发展的重要途径。专业CAD系统融入了该领域的专业知识,不仅能够指导该领域的设计,而且也是该领域知识的集成、管理和应用的一种有效手段。如在战斗部设计领域内,德国的Split X破片战斗部CAD系统,就是一个基于AI技术的破片战斗部设计专家系统。本文基于半穿甲战斗部设计技术和经验,分析了半穿甲战斗部CAD系统的设计与实现,重点分析了系统研究中的关键技术,如系统数据库、可视化和VRML中间件实现等,并给出了CAD的应用示例。

1系统设计

CAD系统基于成熟的设计方法和设计案例,利用参数化设计思想,完成战斗部的快速建模、模型可视化,并对战斗部模型进行性能评估、特征参数的提取,验证战斗部是否满足设计要求,然后进行试验设计与分析,最终考核战斗部的性能。

1.1系统总体框架

根据CAD系统所需完成的功能,系统主要包括结构设计模块、性能评估模块、特征参数计算模块、试验设计分析模块、有限元接口模块和后处理模块。其中结构设计模块主要基于半穿甲战斗部结构参数化模型,完成战斗部的结构设计.性能评估模块完成半穿甲战斗部侵彻能力、爆炸威力、炸药安定性等性能参数的评估。特征参数模块主要根据战斗部数字化模型,获取战斗部的特征参数。数据接口模块主要完成CAD系统与通用CAE和CAD软件的数据交换;试验设计/分析模块主要完成根据设计验证要求,完成试验设计,并根据试验结果分析调整结构设计,后处理模块完成战斗部结构可视化、性能数据及设计图形/参数保存等功能,系统的总体框架见图1。

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1.2系统功能分析

基于半穿甲战斗部CAD设计技术,完成CAD系统的功能分析。采用IDEFO(ICAM DEFinition Method)方法进行系统功能分析,IDEFO是设计、制造系统静态功能定义的系统化方法,它所产生的功能模型,结构化地描述了设计、制造系统的功能、信息流的传输及与功能关联的对象。整个系统的功能分析完成几十张功能分析图的建立,其中图2是系统总体功能分析图。

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通过系统功能分析,主要达到以下目的。

(1}全面地描述半穿甲战斗部CAD系统,通过建立功能模型来完善CAD系统,

(2)对系统中要求解决的设计、评估等问题建立一系列模型CAD系统就是由表达方式不同的许多类型来表示,从而得到系统的完整视图。

功能分析图适用于半穿甲战斗部CAD系统全生命周期的各项工作,在降低开发成本、减少系统错误、促进交流的一致性及加强管理等方面都起着重要的作用。

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1.3系统软件结构

采用三层结构和中间件技术建立系统的软件结构,系统的软件结构见图3。应用逻辑层在访问数据库时,不是直接与数据库进行访问,而是通过封装的数据访问中间件来实现,这样一方面提高程序的可维护性,应用逻辑层的各个模块可以并行开发,也可以选择各自最适合的开发语言,另一方面利于变更和维护应用技术规范,并可以进行严密的安全管理。显示中间件利用离散面元方法和OpenGL技术,完成设计/评枯结果的可视化的封装,后处理模块通过显示中间件实现设计图形的三维显示,并实现可视化图形的保存和打印,图形的显示方式〔实体、网格),图形操作(放大、缩小、平移和旋转等功能〕,接口中间件实现系统与通用CAD和CAE软件的数据共享。通过VRNB.技术实现图形数据的保存和读取。

2系统实现

考虑微机环境的视境生成技术主要包括OpenGL技术和Direct3D技术,Direct3D技术主要应用在Microsoft Windows平合上,其实现和应用相当方便,但易受操作系统平台限制;而OpenGL即开放性图形库,它实际上是一种图形与硬件的接口,开发者可以利用其图形库来建立三维模型和三维实时交互,考虑系统的扩展性,在图形仿真方面利用OpenGL技术实现。在数据管理方面,利用动态数据库技术,实现数据的管理,在数据处理方面,采用VRML技术,实现图形数据的保存和读取。

2.1数据库

根据半穿甲战斗部知识体系。构建数据库系统,具体内容见表1。

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针对每一个数据库,构建相应的数据字典。如结构模型数据:保存目标的几何信息,其中组件表主要包括部件的特征信息,如材质的颜色,面元数目等。面元表表示一个部件由那些面元组成,面元由那些点构成。系统开发人员和战斗部设计人员共同完成知识的获取和人库工作。

2.2可视化实现

可视化的核心是生成三维真实感图形。OpenGL作为最新的开放式三维真实感图形标准,近年来得到了迅速发展和广泛性应用。OpenGL作为一个与硬件独立的图形接口,它不提供与硬件密切相关的设备操作函数,也不提供复杂形体的图形操作函数。如果使用OpenGL库直接建模,就必须从点、线、面等最基本的图形单元开始构造自己的三维模型。当然,对于复杂的集合模型,可以使用一些工具软件或者使用更高一级的基于OpenGL的三维图形建模开发软件包来实现,因此OpenGL的图形操作十分灵活。

基于参数化结构模型的可视化是CAD系统的重要组成部分,它主要通过三维曲面生成算法来实现三维建模.由于战斗部是基于参数化设计的,根据设计要求和设计结果,需对设计参数进行调整,因此,不能采用一些工具软件(如"Convert"的转型。考虑本文的可视化实体都是旋转体结构,我们采用离散化的方法Lql,即通过分段计算,获取离散化后各个顶点的坐标,然后利用四边形来构造曲面,实现战斗部可视化建模,曲面生成算法的实现见图4。

该方法适用于所有旋转结构的建模,对同一物体具有不同的表面方程,应该考虑分段建模,在旋转面指定旋转段数时,应该保持一样,这样使分段交界处生成的顶点相同。同时,利用OpenGL基本变换和投影变换,实现对战斗部模型的平移、旋转、缩放等功能。

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2.3 VRML中间件

考虑与箕他CAD和有限元软件的接口,本文利用VRML(Virtual Reality Modeling Language)技术,把模型数据写入到wrl文件中,实现可视化图形的保存,保证与其他系统的数据共享。在进行模型的显示、保存和转换时,利用开发的VRML中间件。来实现模型数据和性能评估结果数据的导入、导出和显示。VRML中间件主要是实现数据库和wrl文件的操作和处理,在进行数据库访问时,使用数据库访问中间件来实现。一方面,根据wrl文件,解读其结构数据信息.把数据自动装人到数据库中,另一方面,把数据库的数据,根据需要写到wrl文件中,实现目标的部件、组件和系统的可视化,要包括如下功能:

(1)创建:主要完成数据库的动态创建功能,根据wrl文件动态创建数据库,包含目标几何特征的相关数据表,如部件表、面元表和点元表。

(2)数据的导入和导出:主要完成数据库与wrl文件的双向数据处理功能,导入功能主要完成wrl文件的数据自动录入到数据库,完成目标几何信息的提取,导出功能是根据数据库和用户需求,把相应数据写人到wrl文件中,实现目标及评估结果可视化。导人和导出的具体实现见图5。

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(3)数据处理;主要是完成数据的操作功能,如确定部件由那些面元构成。

3 CAD系统

3.1软件界面

采用面向对象的编程语言.结合OpenGL/VRML技术。在战斗部结构模型的基础上,完成CAD系统编码。采用标准的Windows窗口设计技术,提供操作方便的菜单、快捷键和工具条等。软件系统中的部分界面见图6。

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3.2应用示例

以截卵型战斗部为例,给出战斗部的应用示例。

3.2.1设计结果

截卵型战斗部可视化见图7。

为了脸证模型的正确性,可利用其他实体建模软件进行校验,包括图形、参数和相关属性。

3.2.2性能评估结果

性能评估主要包括半穿甲战斗部侵彻能力、爆炸威力和炸药安定性等性能的评估;特别是战斗部侵彻能力评估,系统模拟真实的作战环境.考虑了前舱物对半穿甲战斗部穿甲性能的影响,可计算有无前舱物的弹丸的侵彻能力,输出战斗部最大穿深、剩余速度和飞溅比等参数,同时,图例化显示分析结果,直观反映半穿甲战斗部特征参数对其穿甲性能的影响。图8就是带前舱物战斗部侵彻性能评估结果。

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4 结束语

半穿甲战斗部CAD系统的建立,实现了半穿甲战斗部的参数化设计,并对所设计战斗部完成特征参数提取、性能评估和试验设计,从而实现战斗部从结构设计到性能评估全过程的数字化。CAD系统的应用不仅能有效保存战斗部的设计知识和设计示例,而且能缩短战斗部的研制周期、提高战斗部的设计效率和设计质量。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (6/3/2008)
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