半穿甲战斗部CAD系统研究

作者：杨云斌 卢永刚 周岩

欢迎访问e展厅 展厅 4 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。 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。 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。 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。 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。 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。 (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。 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。 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)