基于UG/WAVE的大口徑艦炮結構自頂向下設計方法

姚　忠,夏方超

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽　712099)

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基于UG/WAVE的大口徑艦炮結構自頂向下設計方法

姚忠,夏方超

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽712099)

針對大口徑艦炮結構特點，將自頂向下設計方法應用于大口徑艦炮的結構設計中。按大口徑艦炮彈藥裝填路徑和揚供彈方式的不同，對大口徑艦炮進行了類別劃分。以復合裝填大口徑艦炮為設計實例，進行大口徑艦炮結構自頂向下設計研究。建立了某復合裝填大口徑艦炮的頂層骨架模型和參數化實體模型。該設計方法能夠有效實現大口徑艦炮定量化、參數化設計，對提高火炮工程設計效率有一定的參考價值。

大口徑艦炮；自頂向下；UG/WAVE；骨架模型；結構設計

大口徑艦炮是水面艦艇遂行對岸火力支持和對海精確打擊任務的主要裝備。在大口徑艦炮結構設計中，傳統設計方法僅將總體參數作為總體結構和部件設計的參考依據，設計效率低[1]。大口徑艦炮總體結構、零部件模塊劃分清晰，采用自頂向下的設計方法，有利于實現總體參數對艦炮總體結構和零部件的全過程參數化設計，對提高火炮工程設計效率有一定的參考價值。

1　自頂向下設計方法

自頂向下設計是一種通過建立頂層設計規劃，并將該規劃逐級向下傳遞，作為下級設計準則的設計方法。該方法通過定義總體與部件間的相互關聯參數，可實現總體與部件、部件與部件的參數關聯[2]。在大口徑艦炮結構設計中，采用自頂向下設計方法，首先應明確艦炮總體與部件間的結構參數、配合約束和接口關系，然后采用骨架模型來描述總體方案中的總體與部件、部件與部件間的構成關系。在整個設計過程中，通過這種關系在各級部件或零件中的傳遞，構建了所有零部件與總體的根本聯系，反映了部件裝配關系和接口關系。自頂向下設計方法更符合現代艦炮的設計流程和設計師的思維過程，便于實現多模塊的協調設計，提高大口徑艦炮設計質量和設計效率。

2　UG/WAVE和骨架模型

2.1UG/WAVE技術

WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是UG NX中實現自頂向下設計的重要工具，其采用關聯性復制幾何體的方法來控制總體結構，提供了設計中所需要的自頂向下設計環境。在WAVE設計環境中，須首先明確影響驅動變化的總體變量，部件的設計與這些變量相關，總體變量的更改將自動更新相關的部件結構[3]?？傮w變量既可以是數值變量，也可以是一條樣條曲線或空間曲面的廣義幾何變量，無論數值變化還是形狀變化都將自動根據WAVE的控制傳遞到相關的子部件和零件設計中去，并貫穿于從總體設計到詳細設計的每個階段。

2.2骨架模型

在設計的最初階段，按照最基本功能和設計要求，在設計頂層構筑一個頂層基本骨架稱之為骨架模型。骨架模型主要包括：基準點、基準軸、基準面、空間點、空間線、空間面或者是產品的點、輪廓線及輪廓面。骨架模型作為產品設計的三維空間規劃，可用來描述部件空間需求、重要的安裝位置或運動，也可用來在模塊間共享設計信息。

骨架模型增強了零部件在裝配體中的相互關聯性和依賴性，適合大型裝配設計的管理，整個產品的設計及其更改都可以通過頂層裝配的骨架模型進行控制。在設計過程中，子部件模型遵循大組件所賦予的設計空間和限制，由上往下層層負責，全面關聯，實現骨架模型的自頂向下結構控制。

3　大口徑艦炮類別劃分

目前大口徑艦炮主要是按口徑劃分，該劃分方法并不能準確反映艦炮結構原理差異。進行大口徑艦炮自頂向下設計，首先應對大口徑艦炮進行合理的類別劃分。按大口徑艦炮彈藥裝填路徑和揚供彈方式的劃分，可準確反映大口徑艦炮的結構差異，有利于自頂向下設計，提高設計效率[4]。筆者按大口徑艦炮彈藥裝填路徑和揚供彈方式的不同將大口徑艦炮進行了劃分，如圖1所示。筆者僅對復合裝填大口徑艦炮設計方法進行實例研究，其他結構原理艦炮設計方法類似。

4　復合裝填大口徑艦炮自頂向下設計

4.1模塊劃分

模塊劃分明確了復合裝填大口徑艦炮總體結構組成，確定了各組成部件的參數和基準[5]。復合裝填大口徑艦炮模塊劃分如圖2所示，并以此為基礎構建艦炮總體拓撲關系。

4.2拓撲關系

頂層骨架模型中所包含的設計信息將通過UG/WAVE技術按照劃分好的模塊傳遞到部件層和子部件層，以進行下一級的零部件設計。圖3為復合裝填大口徑艦炮的拓撲關系圖，圖中給出了大口徑艦炮頂層骨架模型和部件、子部件骨架模型間的拓撲關系。當頂層骨架模型不能滿足部件、子部件的建模需求時，下層件骨架模型可在頂層骨架模型的基礎上進行基準增加，但無權更改上層骨架模型中的基準。

4.3總體基準框架建立

總體基準是建立頂層骨架模型的基礎，根據復合裝填大口徑艦炮的總體設計方案，確定其總體基準如表1所示。

表1　總體基準表

由確定的總體基準可建立起復合裝填大口徑艦炮的總體基準框架，如圖4所示。

4.4總體參數確定

總體基準框架建立完成后，創建艦炮頂層骨架模型還需確定艦炮總體參數，根據復合裝填大口徑艦炮的總體設計方案，確定其總體參數如表2和圖5所示。

表2　總體參數表

4.5頂層骨架模型創建

在建立的總體基準框架基礎上，采用簡單幾何實體創建復合裝填大口徑艦炮頂層骨架模型[6]，如圖6所示。頂層骨架模型中包含了大口徑艦炮的總體基準、總體參數、輪廓線、輪廓面和拓撲關系等。通過總體參數可實現對頂層骨架模型中所有基準和輪廓線、輪廓面的參數化控制。

4.6參數化實體模型建立

在完成復合裝填大口徑艦炮各部件和子部件參數化實體模型建立后，利用UG/WAVE的裝配技術進行艦炮總體參數化裝配。由于各部件的裝配位置均相對于同一個頂層骨架模型，擁有相同的參考系，因此各部件無需定義裝配關系即可實現部件間的精確定位和安裝[7]，裝配完成的復合裝填大口徑艦炮參數化實體模型如圖7所示。

5　結束語

針對大口徑艦炮存在的結構差異，對大口徑艦炮按彈藥裝填路徑和揚供彈方式進行了類別劃分。采用自頂向下設計方法、UG/WAVE技術，對復合裝填大口徑艦炮的設計方法進行了研究，創建了復合裝填大口徑艦炮參數化實體模型，驗證了設計方法的合理性。該設計方法可有效提高新一代大口徑艦炮結構設計的效率。

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Top-down Structural Design Method of Large-caliber Naval Gun Based on UG/WAVE

YAO Zhong，XIA Fangchao

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

A top-down design method was applied to design the structure of large-caliber naval gun in accordance with the structural feature of large-caliber naval gun. Based on the analysis of structure differences, large-caliber naval guns were classified according to ammunition loading paths and laun-ching-feeding. Taken the complex loading large-caliber naval gun for example, the skeleton and parametric solid models were established according to the top-down design method. The method can effectively achieve quantitative, parametric design of large-caliber naval gun, and also has a measure of reference value in improving the efficiency of artillery engineering design.

large-caliber naval gun;top-down; UG/WAVE; skeleton model; structural design

2015-05-29

姚忠(1965—)，男，研究員級高級工程師，主要從事艦炮總體技術研究。E-mail：xidianxfc@126.com

TJ302

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1673-6524(2016)01-0065-04