輕武器殺傷效能優化設計平臺研究與開發*

魏志芳，李 丹

(1中北大學機電工程學院，太原 030051;2中國兵器工業第208研究所，北京 102202)

0 引言

輕武器彈藥的整個設計過程一般分為3個階段:戰術技術論證階段，彈丸方案及技術設計階段，試驗、試制與鑒定定型階段。由于彈頭價廉，加工時間短，輕武器彈藥“畫加打”的設計方法非常普遍?；谔岣邭艿娜珡椀纼灮O計方法就是要從根本上改變這種設計方法，以理論計算為主、試驗驗證為輔，減少彈頭的加工和試驗量，加快研制進度。為此，首次研究建立一個簡便、實用的集成平臺——輕武器殺傷效能優化設計平臺[1－2]，集彈頭結構參數化設計、全彈道計算、殺傷效能評估與優化設計、設計資料管理與維護、應用工具等為一體，為輕武器彈藥設計人員提供便捷、統一的設計環境。

1 平臺總體設計

構建集成設計平臺一般有兩種解決方案[1－2]:一是采用商業集成平臺，如 Isight、AML、ModelCenter等;二是采用自研軟件平臺。文中充分結合輕武器產品設計的實際情況，考慮用戶的使用需求，詳細分析了平臺的功能需求、性能需求與系統運行環境需求等，在此基礎上完成了平臺的總體設計。

輕武器殺傷效能優化設計平臺在集成環境下，以CAD軟件和專業計算模塊作為基本設計工具，在數據庫等資源的支撐下，實現“全彈道計算、殺傷效能評估與優化設計”。平臺總體構架[3－4]如圖1所示，平臺功能結構如圖2所示。

圖1 輕武器殺傷效能優化設計平臺總體架構

圖2 輕武器殺傷效能優化設計平臺功能結構

集成三維CAD軟件目前比較流行的是內部開發模式，即通過生成DLL文件，使平臺以插件的形式被三維CAD軟件加載并利用。根據輕武器殺傷效能優化設計平臺的總體架構，彈頭參數化設計模塊需集成在平臺環境中被用戶調用，故選用三維CAD軟件的異步開發模式，這種開發方式極少有應用，這也是文中需要突破的關鍵技術之一。

2 數據庫設計

數據庫是“輕武器殺傷效能優化設計平臺”的底層結構，主要功能是對平臺各功能模塊提供數據支撐[5]，并供設計人員在平臺環境下查詢與瀏覽槍彈的結構、材料、配套武器、發射藥、內外彈道性能等復雜參數信息，提高彈藥設計效率。按照大型數據庫系統的設計過程，進行了數據庫需求分析、數據庫概念結構設計、數據庫邏輯結構設計、數據庫的安全設計等。平臺以SQL Server 2005作為數據庫管理軟件，采用Visual C++6.0作為開發工具。

2.1 數據庫功能分析

數據庫系統的功能框架如圖3所示。

圖3 數據庫系統功能框架

底層數據庫為整個平臺系統提供了以下3類功能:

1)對CAD參數化設計模塊的數據庫訪問支持。按照設計要求，通過數據庫接口支持層，參數化設計模塊從數據庫中檢入彈頭模型并進行參數化設計和結構特征量獲取。若設計模型達到了設計要求，可將新彈頭模型保存到數據庫中以備查詢。

2)對各專業程序功能模塊的數據庫訪問支持。在各專業程序功能模塊初始化時，數據庫接口支持層以文件或者直接賦值的方式提供給各模塊所需的設計參數，包括:彈頭結構特征信息、火藥參數信息、槍膛參數信息、材料信息、內外彈道參數信息等。各模塊還可以根據需要靈活的從數據庫中取出相應參數。

3)設計資料瀏覽與檢索。平臺以目錄樹和條件查詢的形式為用戶提供信息檢索功能，設計人員既可以通過點擊平臺提供的目錄樹形式實現制式彈、火藥等的分類查詢，又可以通過鍵盤輸入指定的查詢條件實現系統提供的多條件查詢功能，快速檢索自己關心的信息。

圖4 實體間關系E-R圖

2.2 數據庫E-R模型

根據平臺數據庫需求分析，確定了各數據庫實體，由于系統數據框架的復雜性，只給出實體間關系的E-R圖，如圖4所示。

3 輕武器殺傷效能優化設計平臺設計與實現

輕武器殺傷效能優化設計平臺基于集成框架，強調各自編軟件、外掛商業軟件的自動協調工作，使用統一數據庫進行各類數據的管理。系統集成框架主要完成以下工作:為設計人員提供統一的工作環境、數據實時管理、數據流管理、結果數據實時提取和存儲、系統功能擴展等。

圖5 輕武器彈藥全彈道優化設計流程

3.1 輕武器殺傷效能優化設計流程控制與管理

輕武器彈藥全彈道優化設計流程如圖5所示，提供了對從彈藥結構模型創建到獲得優化方案的整個優化設計過程的支持，這也是輕武器殺傷效能優化設計平臺與其他平臺的區別之一。針對全彈道計算流程，采用應用程序封裝技術，梳理各計算模塊輸入輸出關系，統一采用數據文件的形式來實現數據傳輸，約定各程序輸入輸出文件名稱與格式，應用文本解析與重構技術對數據的來源和去向進行分流，實時管理每一個設計計算步驟所生成的設計 /計算結果數據，實現各計算程序之間計算參數的自動抽取及傳遞[6]。

3.2 專業應用程序的封裝與集成技術

平臺對各類自編的計算程序及商業CAD軟件進行了封裝。統一了編程語言，規范了運行環境，設計了統一的輸入輸出模式，約定了輸入輸出文件格式，設計了統一的界面風格。

1)應用程序統一為“.exe”執行文件格式，運行在Windows環境下;

2)應用程序統一使用C語言編寫;

3)應用程序統一采用文件輸入輸出模式;

4)約定各應用程序輸入輸出文件名稱及格式;

5)設計統一的程序界面。

平臺提供了相應的集成接口，實現了專業程序的驅動調用及數據自動流轉。

3.3 參數化設計模塊集成技術

SolidWorks的二次開發支持COM和OLE兩種技術。COM技術是生成動態鏈接庫(DLL)文件，以插件的形式被SolidWorks加載并利用，稱為內部開發模式，是目前比較流行的開發方式。OLE技術，即對象的嵌入與鏈接技術，是生成可執行文件(.exe)，獨立于SolidWorks平臺運行，稱為外部開發模式，這種開發方式極少有應用。這是一種異步開發模式，SolidWorks軟件在后臺運行，應用生成的.exe文件調用SolidWorks的軟件功能，適合集成在其他程序中，作為第三方軟件被調用的情況。

由于彈頭參數化設計模塊需集成在“輕武器殺傷效能優化設計平臺”環境中被用戶調用，故選用SolidWorks的異步開發模式。這也是平臺的主要創新點。

在Visual C++6.0中，使用 MFC AppWizard(exe)生成基于對話框的應用程序;通過在應用程序MFC Class Wizard中導入SolidWorks安裝目錄下的SldWorks.tlb文件實現應用程序和SolidWorks應用程序中函數和數據的共享;在對話框應用程序的.CPP和.h文件中添加SolidWorks的庫文件，即可以實現平臺和SolidWorks的異步調用過程。

3.4 數據庫接口設計

數據庫對平臺各功能模塊提供數據支撐，通過開發各功能模塊和平臺數據庫的數據接口，能夠對最終數據庫的相應數據進行正確析取。

3.5 平臺實現與應用

平臺以SQL Server 2005作為數據庫管理軟件，采用Visual C++6.0作為開發工具，通過ODBC訪問數據庫系統，給設計人員提供了一個集彈頭結構參數化設計、全彈道計算、殺傷效能評估與優化、設計過程管理等功能于一體的全彈道優化設計平臺。其中，調用彈頭參數化設計模塊實現有鋼心手槍彈參數化設計功能如圖6和圖7所示。

圖6 選擇數據庫制式彈模板

圖7 有鋼心手槍彈參數化設計界面

4 結論

“輕武器殺傷效能優化設計平臺”，實現了以下功能:

1)系統集成功能。實現了包括外掛CAD軟件、彈頭強度校核、內彈道計算、氣動力計算、外彈道計算、飛行穩定性計算、殺傷效能評估、殺傷效能優化設計等功能模塊在內的系統信息集成。

2)流程控制與管理功能。通過對全彈道優化設計流程中的每一過程參數的關聯、數據傳遞和分析，實現設計流程的自動運行、幾何模型預覽、分析仿真結果的可視化。

3)彈頭結構參數化設計功能。在集成環境下，實現彈頭結構的參數化設計，自動計算和獲取殺傷元模型結構參數，并實現與分析計算程序的數據集成。

4)平臺數據庫環境支撐功能。實現了數據庫對各功能模塊的數據支撐作用，便于設計人員隨時進行設計資料的調用、查詢與瀏覽，提高了彈藥設計效率。

5)系統安全管理。平臺采取注冊碼授權方式安裝運行，并提供了數據備份與恢復功能。

[1]解紅雨，張為華，王中偉，等.基于WEB的固體火箭發動機集成設計平臺[J].推進技術，2007，28(1):108 －112.

[2]趙雯，陳海東.基于虛擬樣機的導彈數字化協同設計技術[J].導彈與航天運載技術，2005，31(4):23 －28.

[3]周鴻偉，李權，李群，等.武器系統總體設計集成框架設計與實現[J].國防科技大學學報，2002，24(4):91－95.

[4]Sun S X，Zhao J L.Developing a workflow design framework based on dataflow analysis[C]//IEEE Proceedings of the 11th International Conference on the 41st Annual Hawaii International Conference on System Sciences，2008:8 －19.

[5]Jingzhi Guo，Zhuo Hu，Chi-KitChan，et al. Document-oriented heterogeneous business process integration through collaborative E-Marketplace[C]//ACM Proceedings of Tenth International Conference on Electronic Commerce Austria，2008.

[6]Xiao Zhou，Hong Jia，Yanlin Lu，et al. Product model data exchange technology of heterogeneous systems in collaborative design environment[C]//IEEE Proceedings of the International Conference on Artificial Reality and Telexistence Workshops，2006:145 －148.