魏志芳， 劉偉， 蘭軒， 王志偉

(中北大學 機電工程學院， 山西 太原 030051)

槍械回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件設計與開發(fā)

魏志芳， 劉偉， 蘭軒， 王志偉

(中北大學 機電工程學院， 山西 太原 030051)

為了提高槍械回轉式閉鎖機構的設計質量與效率，將設計分析一體化思想引入設計過程中，研究并開發(fā)了回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件。分析了閉鎖機構設計過程，規(guī)劃了軟件應包括結構參數(shù)設計、零部件參數(shù)化建模、自動裝配與干涉分析、機構動作分析、結構強度分析和數(shù)據(jù)管理等基本模塊，提出了基于計算機輔助設計、工程和制造UG軟件集成各計算程序及功能模塊的軟件總體框架。解決了軟件集成框架設計與開發(fā)、UG/Open API函數(shù)調用、UG/MOTION/高級仿真模塊應用及二次開發(fā)、數(shù)據(jù)管理與傳遞等關鍵技術，采用Visual Studio 2010編程工具，基于UG二次開發(fā)形成了回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件。通過具體實例對軟件的可行性及實用性進行了驗證。結果表明，應用該軟件能夠使設計人員基于UG統(tǒng)一環(huán)境方便完成回轉式閉鎖機構的結構設計、參數(shù)化建模、計算校核與仿真分析等工作，縮短設計與分析之間的數(shù)據(jù)交換時間。

兵器科學與技術； 設計分析一體化； UG二次開發(fā)； 回轉式閉鎖機構； 軟件開發(fā)

0 引言

閉鎖機構的作用是：在槍械發(fā)射時關閉槍膛、抵住彈殼，以防止彈殼在高膛壓時因后移量過大而發(fā)生橫斷和武器燃氣后逸；在彈丸飛出槍口、膛壓降到安全值后及時打開彈膛，以完成后續(xù)的自動循環(huán)動作?；剞D式閉鎖機構是現(xiàn)代槍械系統(tǒng)中的常用閉鎖機構，廣泛應用于導氣式和管退式武器[1]。

國內學者針對閉鎖機構的設計與分析開展了研究并取得了一定成果。徐亮等[2]采用Visual Basic編程計算獲得了發(fā)射過程中膛內壓力的變化規(guī)律，在Adams中建立了槍機的剛柔耦合動力學仿真模型，獲得了參數(shù)較優(yōu)的改進方案。徐家凡等[3]通過計算機輔助工程HyperMesh軟件對槍機和節(jié)套進行了前處理網格劃分，再導入有限元ABAQUS軟件完成了有限元建模與仿真，分析了閉鎖間隙對閉鎖面接觸應力的影響。黃懷宇等[4]以反器材步槍閉鎖機構為研究對象，運用計算機輔助設計、工程和制造(CAD/CAE/CAM)UG軟件的運動分析和結構分析模塊，分別建立了運動分析模型及強度分析模型，并對閉鎖機構進行了優(yōu)化設計。以上研究分別針對閉鎖機構及其零部件的設計和分析展開，分別采用不同軟件進行設計和分析，數(shù)據(jù)交換耗時，有時甚至出錯，嚴重影響了設計效率。

設計分析一體化技術已在產品設計領域廣泛應用[5]。Gujarathi等[6]采用數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)交換與共享中介，實現(xiàn)了參數(shù)化CAD/CAE一體化，通過編寫程序進行CAD軟件自動建模，提取與CAE相關的模型參數(shù)進行有限元分析。Ledermann等[7]利用 VBScript、APDL語言，實現(xiàn)了CAD/CAE/CAM一體化軟件CATIA和有限元分析軟件ANSYS之間的數(shù)據(jù)交換，完成了飛行器模型的有限元分析。Hurlimann等[8]利用CAD/CAE多學科一體化技術，對運輸機翼箱結構進行了質量評估，對其結構設計的全過程進行了仿真。Hamri等[9]提出了混合形狀表征，支持邊界和多面體模型的表達，減少了CAD圖形元素在導入CAE軟件后圖形信息丟失的數(shù)量，較好地解決了邊界模型和多面體模型的拓撲關系。Chung等[10]通過ACIS文件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換，開發(fā)了機械開關CAD/CAE一體化系統(tǒng)。

盡管國內外設計分析一體化技術有效地解決了CAD/CAE軟件之間的數(shù)據(jù)交換和接口問題，但依然存在開發(fā)過程效率不高、執(zhí)行費時等缺點。UG作為CAD/CAE/CAM一體化軟件，不僅將CAD、CAE、CAM等各功能模塊有機地結合起來，用統(tǒng)一的執(zhí)行控制程序進行數(shù)據(jù)的提取、交換、共享和處理，保證軟件內部信息流的暢通并協(xié)調各功能模塊有效的運行[11]，而且提供了功能強大的二次開發(fā)工具UG/Open，用戶或第三方可以在此基礎上開發(fā)出基于UG系統(tǒng)的應用程序，實現(xiàn)與UG系統(tǒng)的無縫集成，從而滿足用戶的需求[12-15]。

本文將設計分析一體化技術應用于槍械回轉式閉鎖機構設計中，提出了基于UG軟件集成各設計計算程序及仿真分析模塊的軟件總體框架，開發(fā)了回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件，實現(xiàn)了軟件各模塊之間的集成、產品設計與實體建模之間的同步更新、閉鎖機構自動仿真分析，以及各模塊數(shù)據(jù)的自動流轉，從而使設計人員能夠基于UG統(tǒng)一環(huán)境，快速完成回轉式閉鎖機構的設計分析一體化。

1 軟件總體設計

1.1 軟件體系架構

回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件是在UG系統(tǒng)中，以各專業(yè)計算程序和功能模塊作為基本設計工具，在數(shù)據(jù)管理模塊的支撐下，進行閉鎖機構設計計算、參數(shù)化建模、裝配干涉分析、機構動作分析及零部件強度有限元分析。軟件體系架構為典型的4層體系架構，包括用戶層、驅動層、數(shù)據(jù)層及系統(tǒng)層，如圖1所示。其中：

用戶層是回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件的用戶交互層，用戶在UG軟件下，可通過菜單項或對話框調用并執(zhí)行相應的功能模型。

驅動層是通過軟件接口，在UG軟件中調用相關功能模塊，嵌套到本軟件系統(tǒng)中，完成回轉式閉鎖機構結構設計計算、參數(shù)化建模及有限元分析等，通過Visual Studio軟件和UG/Open API生成的動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)用戶層的功能，完成對這些模塊的驅動。

數(shù)據(jù)層存儲了回轉式閉鎖機構的設計參數(shù)、模板模型、裝配體模型、運動仿真模型、有限元模型和強度仿真模型等數(shù)據(jù)，并適時管理設計過程中的用戶信息與設計參數(shù)、任務文件與臨時數(shù)據(jù)、結構模型及仿真數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)層是回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件的系統(tǒng)支撐層，即軟件依托的平臺之所在，主要有Windows操作系統(tǒng)、NET Framework 4.0等。

1.2 軟件功能設計

回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件主要包括結構參數(shù)設計計算、參數(shù)化建模、自動裝配、干涉檢查、機構運動分析、結構強度有限元分析和數(shù)據(jù)管理等功能模塊[16]，如圖2所示。

2 軟件關鍵技術實現(xiàn)

2.1 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)流程

回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件是應用UG系統(tǒng)提供的強大二次開發(fā)工具包和特征擴展功能，對UG系統(tǒng)進行用戶化定制與開發(fā)而形成的[17]。其中：參數(shù)化建模、自動裝配、工程分析等功能模塊為基于UG二次開發(fā)定制形成；各種接口、計算程序和執(zhí)行程序為在Visual Studio中使用C#開發(fā)程序代碼完成；設計向導、菜單、操作界面使用UG/Open所提供的功能開發(fā)。軟件總體開發(fā)流程如圖3所示。首先，使用UG/UIStyle設計相關對話框，并保存為*.cs、*.dlx兩個文件，用vs2010編譯器調用*.cs文件，編譯生成.dll文件，等待調用；然后，編輯UG軟件中的Menu Script文件，進行菜單界面設計，并保存在用戶目錄的startup子目錄下，進行聯(lián)合開發(fā)，實現(xiàn)回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件的界面設計。

2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

通過開發(fā)數(shù)據(jù)管理模塊可以實現(xiàn)設計過程中的過程數(shù)據(jù)、結果數(shù)據(jù)的統(tǒng)一有效管理，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各功能模塊之間的自動傳遞。首先根據(jù)回轉式閉鎖機構設計分析流程，分析各模塊參數(shù)輸入輸出關系及各模塊之間的參數(shù)傳遞關系，定義完整的數(shù)據(jù)流，如圖4所示。然后以文件形式實現(xiàn)各模塊數(shù)據(jù)的保存、提取、查詢等功能。這樣可使系統(tǒng)各模塊數(shù)據(jù)相互獨立，且開發(fā)的程序不會太長，易于修改、擴充。

2.3 菜單設計

通過用戶菜單項設計，在UG系統(tǒng)主菜單欄生成“回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件”菜單選項，設計人員通過點擊此菜單啟動回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件界面。UG/Open MenuScript是UG/Open中用來制定菜單的專用模塊。它允許用戶使用ASCII文件方便快捷地添加、刪除和定制UG菜單以及改變菜單的顯示文本或響應動作，可對.dll動態(tài)鏈接庫和.exe應用程序進行調用。菜單腳本文件擴展名為*.men，支持記事本的創(chuàng)建和編輯，存放于用戶目錄的startup子目錄下。本軟件部分菜單腳本文件內容如圖5所示，加載后的菜單顯示結果如圖6所示。

2.4 對話框設計

對話框界面是對菜單的響應，也是用戶與應用程序交互的工具，主要對話框界面包括槍機設計及參數(shù)化建模、槍機框設計及參數(shù)化建模、自動裝配、干涉檢查、運動仿真分析和結構分析等。對話框界面采用UG/Open UIStyle進行開發(fā)。塊UI樣式編輯器提供了強大的制作UG風格對話框的功能。利用UG/Open UIStyle模塊所提供的可視化環(huán)境，通過選擇和放置控件可快速制作UG風格對話框，并能生成.dlx和.cs對話框文件。UIStyle對話框文件經過編譯生成的程序可在MenuScript中被調用，實現(xiàn)在UG菜單中對用戶應用程序的調用以及用戶應用程序與UG系統(tǒng)的集成。下面以裝配向導對話框設計為例說明對話框的設計方法。應用塊UI樣式編輯器，進入Block UIStyler操作界面，通過使用控件和設置相關屬性完成裝配向導對話框設計，如圖7所示。該對話框共有21個控件：3個向導步驟、5個組、4個標簽/位圖、5個操作按鈕、1個枚舉、2個體收集器、1個分割線。編輯完成后，生成一個C#語言源程序代碼文件(assembly.cs文件)和一個UG對話框文件(assembly.dlx文件)。其中assembly.cs文件需要與UG/Open API相結合，編譯成動態(tài)鏈接庫文件(assembly.dll文件)。將所生成的動態(tài)鏈接庫文件和UG對話框文件存放在用戶目錄下的application目錄下。通過菜單腳本文件，系統(tǒng)執(zhí)行自動裝配菜單相應的action命令，從而實現(xiàn)用戶自定義對話框的調用。

2.5 設計計算程序模塊

設計計算程序主要包括槍機閉鎖支撐凸筍設計、槍機框開閉鎖工作面設計、殼機力的估算與計算、閉鎖間隙計算和沖擊疲勞壽命估算等模塊。設計計算程序是根據(jù)相關理論模型、應用Visual Studio 2010平臺、采用C#語言編寫的自編專業(yè)程序，執(zhí)行文件為.exe格式[18]，存放在用戶目錄下的application子目錄下。為了實現(xiàn)在對話框激活相關控件時對設計計算程序的調用，通過編寫相關控件的回調函數(shù)建立對話框控件與.exe文件的聯(lián)系。

2.6 參數(shù)化建模模塊

通過分析典型回轉式閉鎖機構的結構特征及共性特點，提取基本建模特征參數(shù)，設計槍機、槍機框通用的基礎模型，建立參數(shù)化建模的專用模板[19]，開發(fā)參數(shù)化建模模塊，通過輸入或改變相應的特征參數(shù)，在UG下快速生成新的槍機和槍機框基礎模型，經設計人員修改完善后生成其最終三維模型。

2.6.1 建立基礎模型參數(shù)化模板

由于槍機及槍機框的模型復雜，在實際設計過程中，還需考慮槍彈底緣大小、擊針、抓殼鉤等零件在槍機上的位置、開閉鎖工作面的安排、拋殼窗的位置等因素對其橫向、縱向尺寸的影響，因此難以實現(xiàn)槍機及槍機框實際模型的參數(shù)化建模。本文通過分析其結構特點，抽取共性特征并進行適當簡化，來完成基礎模型的設計。

槍機基礎模型由閉鎖凸筍、定型凸筍、推彈凸筍及彈底窩等典型特征組成，如圖8所示。在此基礎上，選取主要設計參數(shù)，用來控制模型的形狀和拓撲關系，驅動模板變形、實現(xiàn)參數(shù)化建模。主要驅動參數(shù)如圖9所示。

槍機框螺旋槽基礎模型由螺旋升角、槍機回轉角、開閉鎖行程和自由行程等主要參數(shù)確定。根據(jù)相關設計理論建立這些參數(shù)的表達式，引用該參數(shù)表達式建立槍機框螺旋槽的參數(shù)化模型，具體為：創(chuàng)建閉鎖基準平面，繪制螺旋槽基本輪廓線，如圖10所示(圖中α為螺旋升角)；由螺旋槽與槍機凸筍的配合關系確定螺旋線的螺距、圈數(shù)和半徑，創(chuàng)建螺旋線；通過掃掠、偏置曲面和拉伸等創(chuàng)建開閉鎖工作面；對其進行修剪縫合，并通過修剪體功能完成槍機框螺旋槽基礎模型的創(chuàng)建，如圖11所示；定義主要尺寸參數(shù)為驅動表達式，以實現(xiàn)參數(shù)化建模。

建立槍機與槍機框基礎模型參數(shù)化模板后，為了與參數(shù)化建模對話框的控件相關聯(lián)，將其保存在程序指向的目錄下。

2.6.2 參數(shù)化建模模塊開發(fā)

參數(shù)化建模通過修改參數(shù)化模板模型的尺寸參數(shù)實現(xiàn)，具體實現(xiàn)過程為：啟動UG NX→運行閉鎖機構設計分析一體化軟件→參數(shù)化建?！蜷_模板文件→獲取設計計算程序相關計算結果→修改驅動尺寸→根據(jù)新尺寸重建模型→存儲新文件。建立了上述槍機、槍機框參數(shù)化模板后，應用UG/Open UIStyle完成參數(shù)化建模對話框設計，應用Visual Studio 2010平臺編寫回調函數(shù)使對話框控件與參數(shù)化模板建立聯(lián)系，通過對話框輸入參數(shù)驅動模板變形完成參數(shù)化建模。主要調用的函數(shù)有initialize_cb()、update_cb()、theUfSession.Modl.EditExp()、theUfSession.Modl.Update()等，主要實現(xiàn)方法為：通過initialize_cb()函數(shù)進行參數(shù)化建模對話框的初始化；通過transPath=Environment.GetEnvironmentVariable()獲取參數(shù)化模板路徑；通過string path = transPath + “*.ini”獲取設計計算結果文件.ini文件的路徑；通過d=d.GetProperties().GetDouble("Value")將對話框中的相關參數(shù)賦值到相關驅動尺寸表達式；通過theUfSession.Modl.EditExp(strExp)函數(shù)對參數(shù)化模板各驅動尺寸的表達式進行修改，這是參數(shù)化建?；卣{函數(shù)編寫中用到最多的函數(shù)；應用theUfSession.Modl.Update()函數(shù)更新模型。

完成對參數(shù)化建模對話框回調函數(shù)編寫后，編譯生成動態(tài)鏈接庫文件.dll，存放在用戶目錄下的application子目錄下。

2.7 自動裝配、干涉檢查、運動仿真分析和有限元分析模塊

自動裝配、干涉檢查、運動仿真和有限元分析等功能模塊為基于UG的相關功能定制開發(fā)而成。通過設計相關仿真模板，定制用戶界面，使用戶能夠通過對話框進行參數(shù)設置，在仿真向導的導引下驅動仿真模板快速完成整個分析過程，得到求解結果。

自動裝配、干涉檢查、運動仿真分析和有限元分析模塊是基于UG的日志操作開發(fā)的。日志是快速實用的NX二次開發(fā)工具，能夠錄制、編輯和回放用戶交互操作。在NX交互過程中可利用日志錄制功能創(chuàng)建一個腳本文件，通過該腳本文件回放用戶交互操作。合理利用日志工具能夠提高NX的二次開發(fā)效率。但直接錄制的日志沒有用戶界面，因此，需要編輯、修改日志以提供用戶界面，將日志遷移到一個完全編譯和鏈接的應用程序，使日志支持應用程序的開發(fā)。

下面以有限元分析模塊為例，說明基于日志操作的有限元分析模塊的關鍵開發(fā)技術，開發(fā)流程如圖12所示。

首先針對零部件的具體強度分析問題，應用UG高級仿真模塊研究其有限元仿真建模方法，建立有限元仿真模板并形成一套規(guī)范的分析操作步驟，利用UG日志錄制功能錄制操作步驟并生成日志腳本文件，完成有限元仿真對話框界面設計，并將日志腳本文件代碼添加到該對話框.cs文件中進行編譯，使用戶能夠通過對話框、基于向導完成相關參數(shù)設置，并自動執(zhí)行日志文件的操作步驟，從而方便快速地完成整個有限元分析過程，得到求解結果。主要實現(xiàn)方法和關鍵函數(shù)如下：

1) UF_SF_link_material();UF_SF_free_matl_prop();//附加材料；

2) UF_SF_create_ugs_tet_mesh()UF_SF_display_mesh();//劃分網格；

3) CreateBcBuilderForSimulationObjectDescrip-tor();GetReferencePropertyValue();//添加仿真對象容器；

4) CreateBcBuilderForLoadDescriptor();//載荷；

5) GetScalarFieldWrapperPropertyValue()；//給力賦值；

6) CreateBcBuilderForConstraintDescriptor();SetTargetSetMembers();//添加約束；

7) UF_SF_create_solution_nx();//創(chuàng)建解決方案；

8) UF_SF_create_step_nx;//創(chuàng)建工況；

9) CreateModelingObjectPropertyTable();SetNamedPropertyTablePropertyValue();//求解。

3 軟件運行實例

本文應用回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件，完成了7.62 mm自動步槍回轉式閉鎖機構設計分析，從而對軟件功能性能進行了測試驗證。軟件運行流程如圖13所示。

依據(jù)軟件運行流程，依次運行軟件各模塊，相關運行界面及計算結果如圖14～圖26所示。

4 結論

本文介紹了回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件的整體功能、架構以及開發(fā)過程中的關鍵技術及開發(fā)實現(xiàn)方法。通過7.62 mm自動步槍回轉式閉鎖機構設計實例的應用表明，該軟件能夠基于UG統(tǒng)一環(huán)境，依據(jù)軟件運行流程，輔助設計人員快速完成閉鎖機構參數(shù)設計、槍機/槍機框基礎模型參數(shù)化建模、閉鎖機構自動裝配、靜態(tài)/動態(tài)干涉檢查、機構運動仿真分析、結構強度有限元仿真等工作，實現(xiàn)各模塊數(shù)據(jù)的自動傳遞，達到設計分析一體化的目的。研究結果表明，回轉式閉鎖機構設計分析一體化軟件能夠為閉鎖機構的設計提供有效的技術支撐，有利于縮短設計與分析之間數(shù)據(jù)交換的時間，提高產品研發(fā)的設計質量和整體效率，有效降低設計人員的工作強度。

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DesignandDevelopmentofIntegratedSoftwareforDesignandAnalysisofRotaryLockingMechanismofFirearms

WEI Zhi-fang, LIU Wei, LAN Xuan, WANG Zhi-wei

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi， China)

In order to improve the design quality and efficiency of rotary locking mechanism of firearms, the design and analysis integration idea is taken into the design process, and an integrated design and analysis software is researched and developed for the rotary locking mechanism. In consideration of the design characteristics of locking mechanism, the software should include the basic modules of structural parameter design, parametric modeling of parts, automatic assembly and interference analysis, mechanism motion analysis, structural strength analysis and data management. The overall framework of software based on UG software integration calculation programs and function module is put forward. Key technologies, such as software integration framework design and development, UG/OPEN API function call, UG/MOTION/ADVANCED SIMULATION module application and secondary development, data management and transfer, are worked out. According to Visual Studio 2010 programming tools and secondary development of UG, the integrated design and analysis software for rotary locking mechanism is developed. The feasibility and practicability of the software are verified by concrete examples. The results show that the software can make the design, parametric modeling, simulation analysis of rotary locking mechanism easy to complete in the UG unified environment, and shorten the time of data exchange between design and analysis.

ordnance science and technology； integrated design and analysis; secondary development of UG; rotary locking mechanism; software development

TJ202

A

1000-1093(2017)12-2337-11

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.12.006

2017-04-20

國家國防科技工業(yè)局基礎科研項目(A1020131011)

魏志芳(1974—), 女, 副教授，博士。E-mail: lilac1974@139.com