基于Pro/E平臺上的固體火箭發動機裝藥CAD軟件設計

sunshine1026 · 發表于 2008-8-6 13:32:09

1 前言
固體火箭發動機藥柱燃燒過程中燃面面積的精確計算在固體火箭發動機設計中一直占有重要地位，國內外學者對此也提出了很多計算方法，像通用坐標法、有限元素法和邊界坐標法等，但這些方法基本都是數值法，其輸入復雜，無法顯示燃燒過程中燃面的精確變化，計算精度不高且容易產生燃面波動。隨著計算機軟硬件的飛速發展，尤其是通用CAD軟件的發展，為解決這一問題提供了許多基于圖形處理的新方法。
Pro/ENGINEER是美國PTC公司推出的新一代CAD/CAE/CAM軟件，它具有基于特征、全參數、全相關、單一數據庫等特點。自推出以來，由于其強大的功能，很快得到業內人士的普遍歡迎，并迅速成為當今世界最流行的CAD軟件之一。除了上述優點外，Pro/ENGINEER提供了完整的二次開發接口，使得用戶可以基于Pro/ENGINEER平臺開發定制適合各個行業的應用軟件。本文正是基于此開發了固體火箭發動機裝藥CAD軟件。軟件開發中利用Pro/ENGINEER 2001提供的二次開發包Pro/Toolkit和Vc++6.0為工具，充分利用了Pro/ENGINEER強大的三維建模功能和參數化的特點。
2  軟件設計原理及功能簡介
2.1  菜單設計
由于軟件的功能全部是在零件圖模式下完成的，因此軟件采用模式菜單如圖1、2所示。
2.2  自動建模
軟件之所以要提供自動建模模塊，一方面是為了提高藥柱的建模速度，另一方面是因為軟件要實現推移燃面的功能，因此對作圖方法有一些限制，利用自動建模程序就可完全滿足推移燃面的需要。
Pro/Toolkit提供了三種程序建模的方法：特征描述、簇表、UDF，文獻1對這三種方法做了詳細介紹，該軟件采用相對比較簡單的UDF方法，翼柱形藥柱一般由外輪廓、內孔、翼、槽構成。外輪廓采用添加材料的旋轉特征構成，內孔為孔特征，翼為掃描特征，槽為剪切材料的旋轉特征。預先構建這些特征并定義好參考基準、可變尺寸以及可變尺寸的記號（Symbol），然后將這些信息存為一個后綴為gph的文件。通過程序調用這些文件并給可變尺寸及參考基準重新賦值即可自動產生藥柱模型。圖3為一種類型翼的自動建模窗口，圖4為利用自動建模程序建立的最終藥柱模型。

圖1 主菜單入口

圖2 軟件主菜單

圖3 翼自動建模窗口

圖4 利用自動建模程序建立的藥柱模型

2.3 燃面推移及特征量計算
利用程序每間隔一定的時間修改圖形的一些尺寸（如圓筒形幾何體的內孔直徑），由于Pro/ENGINEER具有參數化特性，尺寸可以驅動圖形的改變，因此便可模擬出裝藥的整個動態燃燒過程，再在每一時刻利用Pro/Toolkit提供的函數精確計算燃燒面積等裝藥參數即可。然而，程序的具體實現還需要解決以下幾個主要問題。
2.3.1 裝藥中燃面與非燃面的區分
Pro/Toolkit自身帶有精確計算曲面面積的函數，既可以計算整個圖形的面積，也可以計算某個曲面的面積。但Pro/ENGINEER并不能自動區分燃面與非燃面。仔細研究Pro/ENGINEER的建模方法不難看出，在裝藥建模中，所有的非燃面都是通過添加材料方法生產的，而燃面幾乎都是通過非添加材料的方法，如打孔、切割材料等方法生成。因此，通過程序累加各個非添加材料類型的曲面面積，即可精確的計算出燃面面積。考慮到一般情況下燃面曲面的數目遠大于非燃面曲面的數目，因此程序中通過計算總面積和非燃面面積，然后取二者之差，即可求出燃面面積。
2.3.2 平行推移原理的實現
裝藥是按照平行推移規律燃燒的，因此，仿真燃燒過程時尺寸的改變必須符合平行推移原理，對于簡單幾何特征如圓柱面，只需改變其半徑或直徑即可實現，但對于斜面就必須特殊處理。
斜面定位尺寸在Pro/ENGINEER中一般如圖5所示，在肉厚推移量一定的情況下，改變尺寸d1、d2、d3、d4中任何幾個都不能滿足平行推移，構造線為解決這一問題提供了簡便的方法。構造線在Pro/ENGINEER作圖過程中只起到定位作用，不會為圖形添加新的特征。如圖6所示，可以利用構造線作一與斜面相切的圓，要實現平行推移，只需改變圓的半徑即可。事實上，在裝藥圖形中大多數相交的面在相交處都有倒角，改變倒角半徑即可實現倒角及與其相切面的平行推移。

圖5 Pro/ENGINEER下斜面的常規定位

圖6 修改后的斜面定位

2.3.3 驅動尺寸的選擇
利用尺寸驅動在Pro/ENGINEER下仿真燃燒，一定要選擇正確的推移尺寸，否則圖形就不會按照預期的平行推移規律進行推移。驅動尺寸的選擇最簡單的方法是給出選擇驅動尺寸菜單，當用戶按下菜單時，圖形尺寸全部顯示出來，讓用戶在其中選擇。這種方法雖然簡單，但對于復雜的裝藥圖形，尺寸非常多，用戶很難確定該選擇哪些尺寸作為驅動尺寸。如果能利用程序內定驅動尺寸將大大簡化程序的使用。仔細研究藥柱圖形，構成藥柱燃面的特征在平行推移時其中的所有圓弧（包括圓）尺寸一定會隨推移而改變，因此可以內定所有圓弧尺寸為燃面推移的驅動尺寸，這將大大減少用戶選擇的驅動尺寸，甚至如果尺寸標注的適當，可以不用選驅動尺寸就可進行計算。圖7和圖8說明的尺寸標注對于驅動尺寸的影響。圖7中要實現平行推移必須同時改變尺寸d1、d2及r1。圖8中改變標注尺寸，由于圓心在平行推移中位置不發生改變，豎直邊與水平邊與圓弧保持相切約束，僅改變圓弧尺寸r1就可實現平行推移。圖9為特征量計算菜單，圖10為特征量計算窗口，圖11為燃面推移中的藥柱，圖12、13分別為最終的計算結果和燃面－肉厚曲線。

圖7 Pro/ENGINEER下常規尺寸標注

圖8修改后的尺寸標注

圖9 特征量計算子菜單

圖10 特征量計算窗口

（a） w＝150mm

（b）w＝250mm
圖11 燃面推移中的藥柱

圖12 特征量計算結果

圖13 燃面——肉厚曲線

2.4 內彈道計算
內彈道計算是程序的另一個主要模塊，利用上面的燃面計算結果，通過內彈道計算程序，最終可以得到內彈道結果及內彈道曲線。
3 結束語
本文介紹了利用Pro/ENGINEER 2001的二次開發技術開發的固體火箭發動機裝藥CAD軟件。“站在巨人的肩上，何必平地而起”，雖然軟件很小，但由于充分利用了Pro/ENGINEER 2001的強大功能，從而實現了相對比較強大的功能。該軟件現在已經應用于我院的設計工作中，通過實際的使用表明，該軟件界面友好，易于使用，計算結果精度高，并且為工程制圖和設計計算之間提供了紐帶，大大提高了設計人員的工作效率。