某型導彈發射裝置參數化設計研究

杜永峰 陳文會 王旭鵬

摘要：建立某型內埋式雙作動筒彈射發射裝置零件、部級及產品級數據庫和信息庫，縮短導彈發射裝置設計周期，提升設計效率?；赟olidWorks和Visual Studio軟件平臺進行參數化設計系統開發，借助Access建立三維模型數據庫，并以氣動模塊、壓緊裝置為例對系統有效性進行設計驗證。建立了某型發射裝置三維模型數據庫，開發了參數化設計系統。研究成果對于縮短機載導彈發射裝置研發周期，提升其通用化、系列化、模塊化及參數化設計效率具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：導彈發射裝置模塊化設計參數化設計SolidWorks二次開發

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）09-0022-04

Abstract：To shorten the design cycle and improve the design efficiency，the database and information base of parts，ministerial and product level of a missile launcher should be established. The parametric design system is developed with the help of SolidWorks and Visual Studio software platform. The corresponding three-dimensional model database is established based on ACCESS，and the effectiveness of the system is designed and verified by pneumatic module and pressing device. The 3D model database of a certain launcher is established，and the parametric design system is developed. The research results have certain reference significance for shortening the development cycle of airborne missile launcher and improving the efficiency of its generalization，serialization，modularization and parametric design.

Keywords： Missile launcheModular designParametric design SolidWorks Secondary development

引言

機載導彈發射裝置主要任務是載運與發射導彈[1]，是機載武器系統重要組成部分。導彈發射裝置設計性能直接影響導彈能否發射成功，發射姿態、精度是否滿足安全分離要求，以及對載機是否安全等。

導彈發射時的初始參數（分離速度、俯仰角速度及姿態）對導彈的安全發射起到極其重要的作用[2]，關系到載機安全，特別是在超音速、大機動和隱身特性條件下進行機載發射[3]。與歐美、俄羅斯等國家相比，我國的發射裝置研究起步較晚，存在通用化程度低、發射裝置類型單一、發射裝置輕量化程度低、燒蝕問題以及彈射能源等相關問題[4]。

隨著武器裝備的發展，發射裝置研發逐漸呈現出如下需求：（1）小型化、高度集成及大承載能力;（2）自動化、少維護甚至免維護、大行程彈射、外形隱身、結構保形;（3）復式掛載、高密度掛載和多功能組合;（4）安全分離，且滿足發射精度;（5）通用化、模塊化、智能化;（6）彈射能源自主補充。

伴隨著上述研究趨勢，發射裝置模塊化、參數化設計及系統設計開發逐漸成為了武器裝備領域的研究熱點，組合式和模塊化發射裝置因其具有很大的戰術機動性和使用靈活性，具有廣闊的發展前景。

一、開發環境及關鍵技術

（一）參數化和模塊化設計

參數化[5-6]是指將設計要求、設計原則、設計方法以及設計結果用參數表示，通過改變零件某一部分幾何尺寸，或修改已確定的零件關鍵參數，其余相關部分在參數驅動下可隨之自動改變。整個過程設計師只需確定零件主要輪廓，通過尺寸限定最終形狀，或定義關鍵零部件尺寸，即可通過參數修改實現產品設計，實現人機交互靈活更改。

Alexander最早討論了模塊化思想，Baldwin將模塊化定義為具有互換性零件的集合[7-8]。經過不斷的發展演變，模塊化設計逐漸形成以下三大特點：（1）相對獨立性：對各功能模塊分別設計、加工制造、運行調試、功能優化和測試存儲，有利于多企業分工合作生產;（2）互換性：模塊間接口的結構尺寸采用標準化參數，有利于模塊的批量化生產，滿足不同產品的需求;（3）通用性：可實現跨系列產品間的模塊通用[9-11]。

（二）開發環境

開發平臺基于成熟的商用軟件SolidWorks，該軟件具有易用性、創新性的特點，用戶可使用其應用程序接口（API）將一些冗長的設計工作轉為自動化設計。API支持Visual Basics Visual C++、Access或任何支持OLE的程序語言進行二次開發，建立適合用戶需要的、專用的SolidWorks功能模塊[12]。

開發軟件采用Visual Basic（簡稱VB），該軟件為用戶提供了友好的集成開發環境：具有可視化的設計平臺、事件驅動的編程機制、結構化的程序設計語言、強大的數據庫功能、ActiveX技術、網絡功能;還具有操作簡潔，程序開發周期短、界面設計合理等優點。

數據庫借助Access軟件，可獨立開發數據庫應用系統，也可作為后臺數據庫與VB等高級語言結合使用。

（三）參數化設計方法

參數化設計方法有兩種[13]：尺寸驅動法、程序驅動法。尺寸驅動法不需要建立模型庫，在創建模型過程中需要編寫程序代碼，靈活性強，但要求高水平的編程工作人員編寫大量程序，并且在參數化過程中運行速度較慢;第二種程序驅動法，需建立零件模型庫，在模型庫中選取調用所需模型，對特定尺寸進行修改，即可建立新的模型。這種方法程序編寫工作量小且運行速度快，但靈活性差，適用于變動參數少、模型結構復雜的情況。本研究采用尺寸驅動法對導彈發射裝置進行參數化設計。

二、發射裝置結構組成與工作原理

（一）結構組成

根據導彈發射方式，可將發射裝置分為（1）導軌式發射裝置、（2）彈射式發射裝置、（3）投放式發射裝置。導軌式發射裝置可在導彈發射離軌時賦予導彈一定的初速度和限定的初始航向，確保載機安全和導彈發射的參數要求;為避免導彈發射時的尾噴流引起載機發動機熄火停車，彈射式發射裝置應運而生，這種發射裝置適用于“半埋”或“內埋”式掛載的導彈，可確保導彈離機后能迅速擺脫載機干擾流場的影響，具有裝填密度高、成本低，導彈發射時氣動干擾小，對載機飛行性能影響小等多個優點。

圖1所示為某內埋式導彈彈射發射裝置組成示意圖，圖2所示為內埋式導彈發射裝置的整體結構圖。根據結構功能可將其劃分為如下主要的五個部分：（1）殼體、（2）氣動模塊、（3）解鎖連桿系統、（4）作動筒、（5）導彈壓緊機構。

其中，殼體用于安裝解鎖連桿組件、保險組件、雙作動筒及氣動模塊等;氣動模塊由氣閥模塊、氣瓶及管路組成，用于在導彈彈射過程中提供動力源;解鎖連桿組件由解鎖連桿、止動器、止動掛鉤、擋銷、止動臂和保險組成;作動筒由作動筒殼體、一級作動筒、二級作動筒、活塞桿及端蓋等組成，用于彈射發射時將導彈推至分離位置;;導彈壓緊機構由壓緊塊、壓簧、螺栓和螺母組成，導彈掛裝時，導彈壓緊機構壓緊彈體，消除導彈沿垂向和航向間隙，防止運載過程振動與碰撞。

（二）工作原理

如圖3所示，機載導彈發射裝置工作原理如下：當導彈發射裝置接收載機發射指令后，保險打開，止動掛鉤轉動與吊耳分離，氣動模塊啟動，氣瓶中高壓氣體通過管道進入作動筒，推動導彈以特定的分離速度運行至預定位置，導彈與壓緊機構分離，導彈發射。

三、發射裝置參數化設計開發

（一）設計流程

參數化技術的運用可避免模型庫中存儲大量結構相同、尺寸不同的構件[14]，節省存儲空間，提升設計效率。為了實現本研究中導彈發射裝置零部件結構的標準化和系列化設計，需要制訂相應的參數化設計流程。圖4所示為本文詳細的參數化設計流程。首先，根據導彈掛距、掛裝方式、發射裝置外形尺寸（高度、長度以及寬度），可初步確定部分標準元件的尺寸，快速完成部分零件結構設計;隨后，進入發射裝置詳細設計階段，利用參數化、模塊化技術，完成發射裝置各個零部件的詳細設計，得到發射裝置的零件圖和裝配圖。

（二）設計輸入

導彈彈射發射裝置掛裝方式有艙內和艙外兩種，本文所研究的對象為艙內內埋式導彈發射裝置，具有發射安全性高、隱身性能好等優點。

常用彈射發射裝置驅動系統布置方案可分為2類，對應載荷特性可分為：a.作動筒水平布置，作用在負載上的載荷與行程關系呈三角形分布;b.作動筒垂直布置，作用在負載上的載荷與行程關系呈梯形分布。

本文中內埋艙高度和寬度分別用H艙和D艙表示，彈射行程為3×155mm，導彈掛距為355.6mm，選用標準吊耳式掛裝方式。確定導彈掛距后，可根據氣動模塊、解鎖連桿組件、保險組件之間的位置關系，結合彈射發射分離速度、角速度、分離行程等參數初步確定作動筒的位置及行程。

其中，導彈彈射發射時分離參數如下，投放速度：V1m/s～V2m/s;速度方向：&°（空間錐角，垂直機體向下為&°）;投放角速度：-θ°/s;彈射行程：>Lmm;彈射過程極限過載：

（三）設計開發

以某型內埋式導彈發射裝置為例，分別從系統級、部件級、零件級三個層面，介紹其模塊化和參數化設計開發過程。需要說明的是：導彈發射過程中，作動筒內高壓氣體壓力建立過程情況比較復雜，難以建立完全真實的數學模型對其進行數值模擬，并用來指導設計。因此，下文中通過合理假設，建立近似的等效模型進行分析計算。

1.系統級

彈射發射過程中，隨著導彈垂直運動，作動筒工作腔體積不斷增大。為簡化計算，假設在整個發射過程中，系統與外界無能量交換及氣體泄漏等情況;高壓氣體在管道內的流動為一維，其成分以及物理化學性質固定不變;氣動模塊與作動筒工作腔內高壓氣體溫度不發生變化，為一常量;同時，不考慮氣動模塊與作動筒中的氣體分布，假定壓強處處相等;且氣瓶和作動筒內的高壓氣體按照理想氣體計算，可得到氣動模塊與作動筒運動過程中的高壓氣體數學模型如下：

（1）

其中，P1為某時刻氣動模塊中氣體的壓強;T為氣體溫度;R為氣體熱力學常數;V1為氣瓶中氣體初始總體積;mt1為時間內氣動模塊中氣體的流出量;■a為氣體生成速率;■t1為氣動模塊沖出氣體的速率。

將作動筒半徑設置為一個均值R作動筒，可得出某時刻內作動筒中的壓強p為：

（2）

其中，V2為作動筒初始狀態下的體積;Hmax為作動筒的最大行程;V管道為管道的體積。

導彈發射的過程中，作動筒的體積逐漸變大，可得：

V作動筒=π·R2·H（3）

V作動筒=n·（R12·H2+R22·H3+R32·H4）（4）

其中，V作動筒為作動筒的體積;V管道為管道的體積;H為作動筒行程;H2、H3、H4為作動筒參數，其如圖5所示。

根據設計要求，導彈在發射時間t1時，達到分離速度v，可得發射過程等效加速度■，從而得到作動筒壓強p為：

（5）

（6）

導彈發射過程中，根據動能定理以及壓強公式，在滿足設計輸入的參數中取一組參數：投放速度v、導彈質量m、導彈彈射行程H，可得：

F·H=1/（2mv2）（7）

F=p·S（8）

S=π·R作動筒2（9）

其中，S為作動筒截面面積。

由以上數學模型可得出作動筒半徑為：

（10）

將以上數據作為設計輸入，可計算出作動筒的平均直徑;考慮到

彈射過程過載要求，且因彈射行程為L1，艙內高度為H艙，所以選定三級作動筒，得到作動筒結構圖如圖5所示：

圖6所示為系統設計輸入參數界面，左側為輸入參數，右側為結構簡圖;圖7為對應的設計輸出界面。

用戶參考結構簡圖，輸入發射裝置寬度、長度、高度，以及導彈的掛距、重量、彈射行程和分離速度等相關設計參數，即可獲得設計輸出參數。如圖7所示，可得到發射裝置作動筒的級數、半徑以及氣瓶體積的初步參數。

2.部件級

將裝配關系引入參數化設計中來，可以解決復雜的發射裝置中某個零件無法定位的問題，同時可以進行部件的整體參數化設計。發射裝置裝配模型的結構為樹狀分級裝配結構，各子裝配模型由下一級子裝配模型及零件組成，依此類推直到最后一級裝配。以關鍵部件- 壓緊裝置中的壓緊塊為例，圖8（a）所示為壓緊塊的尺寸簡圖：螺栓孔直徑為D，長度為L1、L2，高度為;傾斜度為θ;圖8（b）為壓緊裝置的半剖視圖，圖8（c）為壓緊裝置的正視圖，圖9為壓緊裝置參數化設計界面。

3.零件級

圖10所示為關鍵零部件-氣動模塊，以氣動模塊中氣瓶為例，對其進行參數化設計，圖11所示為其示意圖。

氣瓶作為彈射發射過程動力源，其壓強直接決定作動筒的推力，進而影響導彈發射過程分離速度。氣瓶的體積主要由半徑R和直線段l兩個參數決定，則氣瓶體積V1可表示為：

（11）

圖12所示為瓶系列化設計開發圖，在Solidworks軟件中氣瓶模型系列化設計具體過程可分為三步：（1）運用SolidWorks系列零件設計表功能，先建立關鍵零部件模型，打開特征尺寸，對特征尺寸及名稱進行修改;（2）再插入氣瓶尺寸參數設計表格，選擇自動生成，選擇該零件需要變化的尺寸，對尺寸單元格進行相關設置，按不同的零件規格編輯尺寸;（3）編輯完成后點擊空白處，按提示框確定生成不同規格的零件。通過以上步驟，在配置里可生成幾種不同規格的零件，根據設計需求選擇相應的零件。

采用程序驅動法，調用SolidWorks API的方法或屬性完成3D模型的參數設計。利用SolidWorks中的宏命令錄制代碼程序，通過錄制宏可記錄建模過程中SolidWorks內部調用的各條程序代碼，然后將代碼復制到二次開發程序中，調試完成即可完成參數化建模。具體實現過程如下：

運用宏工具條上的“打開宏”命令，打開所錄制的宏，進入宏編輯窗口，進行零件建模，建模完成后，單擊停止按鈕進行宏文件的保存。

打開錄制宏的源代碼，將宏復制到VB編程環境中;用程序變量代替宏代碼中對應的常數，并查找相關API函數，修改宏。

雙擊參數化設計界面上的“生成模型”，進入程序編輯界面，將修改后的宏復制粘貼到編輯界面，并進行程序調試、試運行，直至得到所需模型。

發射裝置零件庫是發射裝置參數化、系列化設計的基礎，可分為固定參數建模和關鍵參數建模兩種。固定參數零部件建模是指可直接調用裝配的零件，關鍵零部件建模是指需要改變尺寸參數及其特征，對零部件模型更新后才能使用[15]。

圖13所示為模型庫部分零件圖示例。

結論

武器裝備自動化設計開發是目前各國研究熱點，文章中在對某型內埋式雙作動筒彈射式發射裝置功能結構進行模塊劃分、工作原理闡述的基礎上，建立了各結構之間的關系模型;進而運用SolidWorks、VB及Access軟件，分別進行了系統級、部件級及零件級的通用化、系列化、模塊化設計，構建了某型內埋式雙作動筒彈射式發射裝置模型庫;并以氣動模塊和壓緊裝置為例，對系統的有效性進行了驗證。本文提出的模塊化、系列化設計方法，可為解決我國導彈發射裝置通用化程度低、發射裝置類型單一等問題提供借鑒;同時，可有效地縮短發射裝置的研發周期，提升設計效率，也為同類型產品設計提供參考。

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