基于Pro/E平台上的固体火箭发动机装药CAD软件设计

1 前言

    固体火箭发动机药柱燃烧过程中燃面面积的精确计算在固体火箭发动机设计中一直占有重要地位，国内外学者对此也提出了很多计算方法，像通用坐标法、有限元素法和边界坐标法等，但这些方法基本都是数值法，其输入复杂，无法显示燃烧过程中燃面的精确变化，计算精度不高且容易产生燃面波动。随着计算机软硬件的飞速发展，尤其是通用CAD软件的发展，为解决这一问题提供了许多基于图形处理的新方法。

    Pro/ENGINEER是美国PTC公司推出的新一代CAD/CAE/CAM软件，它具有基于特征、全参数、全相关、单一数据库等特点。自推出以来，由于其强大的功能，很快得到业内人士的普遍欢迎，并迅速成为当今世界最流行的CAD软件之一。除了上述优点外，Pro/ENGINEER提供了完整的二次开发接口，使得用户可以基于Pro/ENGINEER平台开发定制适合各个行业的应用软件。本文正是基于此开发了固体火箭发动机装药CAD软件。软件开发中利用Pro/ENGINEER 2001提供的二次开发包Pro/Toolkit和Vc++6.0为工具，充分利用了Pro/ENGINEER强大的三维建模功能和参数化的特点。

2  软件设计原理及功能简介

2.1  菜单设计

    由于软件的功能全部是在零件图模式下完成的，因此软件采用模式菜单如图1、2所示。

2.2  自动建模

    软件之所以要提供自动建模模块，一方面是为了提高药柱的建模速度，另一方面是因为软件要实现推移燃面的功能，因此对作图方法有一些限制，利用自动建模程序就可完全满足推移燃面的需要。
Pro/Toolkit提供了三种程序建模的方法：特征描述、簇表、UDF，文献1对这三种方法做了详细介绍，该软件采用相对比较简单的UDF方法，翼柱形药柱一般由外轮廓、内孔、翼、槽构成。外轮廓采用添加材料的旋转特征构成，内孔为孔特征，翼为扫描特征，槽为剪切材料的旋转特征。预先构建这些特征并定义好参考基准、可变尺寸以及可变尺寸的记号（Symbol），然后将这些信息存为一个后缀为gph的文件。通过程序调用这些文件并给可变尺寸及参考基准重新赋值即可自动产生药柱模型。图3为一种类型翼的自动建模窗口，图4为利用自动建模程序建立的最终药柱模型。

图1 主菜单入口

图2 软件主菜单

图3 翼自动建模窗口

图4 利用自动建模程序建立的药柱模型

2.3  燃面推移及特征量计算

    利用程序每间隔一定的时间修改图形的一些尺寸（如圆筒形几何体的内孔直径），由于Pro/ENGINEER具有参数化特性，尺寸可以驱动图形的改变，因此便可模拟出装药的整个动态燃烧过程，再在每一时刻利用Pro/Toolkit提供的函数精确计算燃烧面积等装药参数即可。然而，程序的具体实现还需要解决以下几个主要问题。

2.3.1 装药中燃面与非燃面的区分

    Pro/Toolkit自身带有精确计算曲面面积的函数，既可以计算整个图形的面积，也可以计算某个曲面的面积。但Pro/ENGINEER并不能自动区分燃面与非燃面。仔细研究Pro/ENGINEER的建模方法不难看出，在装药建模中，所有的非燃面都是通过添加材料方法生产的，而燃面几乎都是通过非添加材料的方法，如打孔、切割材料等方法生成。因此，通过程序累加各个非添加材料类型的曲面面积，即可精确的计算出燃面面积。考虑到一般情况下燃面曲面的数目远大于非燃面曲面的数目，因此程序中通过计算总面积和非燃面面积，然后取二者之差，即可求出燃面面积。

2.3.2 平行推移原理的实现

    装药是按照平行推移规律燃烧的，因此，仿真燃烧过程时尺寸的改变必须符合平行推移原理，对于简单几何特征如圆柱面，只需改变其半径或直径即可实现，但对于斜面就必须特殊处理。

    斜面定位尺寸在Pro/ENGINEER中一般如图5所示，在肉厚推移量一定的情况下，改变尺寸d1、d2、d3、d4中任何几个都不能满足平行推移，构造线为解决这一问题提供了简便的方法。构造线在Pro/ENGINEER作图过程中只起到定位作用，不会为图形添加新的特征。如图6所示，可以利用构造线作一与斜面相切的圆，要实现平行推移，只需改变圆的半径即可。事实上，在装药图形中大多数相交的面在相交处都有倒角，改变倒角半径即可实现倒角及与其相切面的平行推移。

图5 Pro/ENGINEER下斜面的常规定位

图6 修改后的斜面定位

2.3.3  驱动尺寸的选择

    利用尺寸驱动在Pro/ENGINEER下仿真燃烧，一定要选择正确的推移尺寸，否则图形就不会按照预期的平行推移规律进行推移。驱动尺寸的选择最简单的方法是给出选择驱动尺寸菜单，当用户按下菜单时，图形尺寸全部显示出来，让用户在其中选择。这种方法虽然简单，但对于复杂的装药图形，尺寸非常多，用户很难确定该选择哪些尺寸作为驱动尺寸。如果能利用程序内定驱动尺寸将大大简化程序的使用。仔细研究药柱图形，构成药柱燃面的特征在平行推移时其中的所有圆弧（包括圆）尺寸一定会随推移而改变，因此可以内定所有圆弧尺寸为燃面推移的驱动尺寸，这将大大减少用户选择的驱动尺寸，甚至如果尺寸标注的适当，可以不用选驱动尺寸就可进行计算。图7和图8说明的尺寸标注对于驱动尺寸的影响。图7中要实现平行推移必须同时改变尺寸d1、d2及r1。图8中改变标注尺寸，由于圆心在平行推移中位置不发生改变，竖直边与水平边与圆弧保持相切约束，仅改变圆弧尺寸r1就可实现平行推移。图9为特征量计算菜单，图10为特征量计算窗口，图11为燃面推移中的药柱，图12、13分别为最终的计算结果和燃面－肉厚曲线。

图7 Pro/ENGINEER下常规尺寸标注

图8修改后的尺寸标注

图9 特征量计算子菜单

图10 特征量计算窗口

（a） w＝150mm

（b）w＝250mm
图11 燃面推移中的药柱

图12 特征量计算结果

图13 燃面——肉厚曲线

2.4  内弹道计算

    内弹道计算是程序的另一个主要模块，利用上面的燃面计算结果，通过内弹道计算程序，最终可以得到内弹道结果及内弹道曲线。

3  结束语

    本文介绍了利用Pro/ENGINEER 2001的二次开发技术开发的固体火箭发动机装药CAD软件。“站在巨人的肩上，何必平地而起”，虽然软件很小，但由于充分利用了Pro/ENGINEER 2001的强大功能，从而实现了相对比较强大的功能。该软件现在已经应用于我院的设计工作中，通过实际的使用表明，该软件界面友好，易于使用，计算结果精度高，并且为工程制图和设计计算之间提供了纽带，大大提高了设计人员的工作效率。

参考文献

1 Kris Jamsa [美]等. C/C++程序员实用大全.第1版. 北京：机械工业出版社，2000