基於Pro/E平臺上地固體火箭發動機裝藥CAD軟體設計

基於Pro/E平臺上地固體火箭發動機裝藥CAD軟體設計

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佔有重要地位，國內外學者對此也提出了很多計算方法，像通用座標法、有限元素法和邊界座標法等，但這些方法基本都是數值法，其輸入複雜，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。隨著電腦軟硬體的飛速發展，尤其是通用CAD軟體的發展，為解決這一問題提供了許多基於圖形處理的新方法。

??? Pro/ENGINEER是美國PTC公司推出的新一代CAD/CAE/CAM軟體，它具有基於特徵、全參數、全相關、單一資料庫等特點。自推出以來，由於其強大的功能，很快得到業內人士的普遍歡迎，並迅速成為當今世界最流行的CAD軟體之一。除了上述優點外，Pro/ENGINEER提供了完整的二次開發介面，使得使用者可以基於Pro/ENGINEER平臺開發定制適合各個行業的應用軟體。本文正是基於此開發了固體火箭發動機裝藥CAD軟體。軟體發展中利用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? 軟體設計原理及功能簡介

2.1? 功能表設計

??? 由於軟體的功能全部是在零件圖模式下完成的，因此軟體採用模式功能表如圖1、2所示。

2.2? 自動建模

??? 軟體之所以要提供自動建模模組，一方面是為了提高藥柱的建模速度，另一方面是因為軟體要實現推移燃面的功能，因此對作圖方法有一些限制，利用自動建模程式就可完全滿足推移燃面的需要。
Pro/Toolkit 提供了三種程式建模的方法：特徵描述、簇表、UDF，文獻1對這三種方法做了詳細介紹，該軟體採用相對比較簡單的UDF方法，翼柱形藥柱一般由外輪廓、內孔、翼、槽構成。外輪廓採用添加材料的旋轉特徵構成，內孔為孔特徵，翼為掃描特徵，槽為剪切材料的旋轉特徵。預先構建這些特徵並定義好參考基準、可變尺寸以及可變尺寸的記號（Symbol），然後將這些資訊存為一個尾碼為gph的檔。通過程式調用這些檔並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視窗，圖4為利用自動建模程式建立的最終藥柱模型。

圖1 主菜單入口

圖2 軟體主功能表

圖3 翼自動建模視窗

圖4 利用自動建模程式建立的藥柱模型

2.3? 燃面推移及特徵量計算

??? 利用程式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），由於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，程式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並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，通過程式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於非燃面曲面的數目，因此程式中通過計算總面積和非燃面面積，然後取二者之差，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，模擬燃燒過程時尺寸的改變必須符合平行推移原理，對於簡單幾何特徵如圓柱面，只需改變其半徑或直徑即可實現，但對於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徵。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 修改後的斜面定位

2.3.3? 驅動尺寸的選擇

??? 利用尺寸驅動在Pro/ENGINEER下模擬燃燒，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功能表，當使用者按下功能表時，圖形尺寸全部顯示出來，讓使用者在其中選擇。這種方法雖然簡單，但對於複雜的裝藥圖形，尺寸非常多，用戶很難確定該選擇哪些尺寸作為驅動尺寸。如果能利用程式內定驅動尺寸將大大簡化程式的使用。仔細研究藥柱圖形，構成藥柱燃面的特徵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說明的尺寸標注對於驅動尺寸的影響。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，豎直邊與水準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為特徵量計算功能表，圖10為特徵量計算視窗，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。