基于Open CASCADE的導彈輕量化幾何參數化建模*

蔣孟龍，劉 莉，齊竹昌，李學亮，龍 騰

(1 北京理工大學宇航學院，北京 100081;2 中國兵器工業第203研究所，西安 710065)

0 引言

導彈的幾何外形與導彈的質量、射程、飛行時間、魯棒性、毀傷、脫靶率、存活率、花費及發射平臺的尺寸和質量等因素密切相關［1］。因幾何外形關系重大，在導彈概念設計階段，需對其不斷地進行調整，以求獲得滿足設計指標的最優幾何外形。人為重制導彈模型則工作量巨大，限制了導彈總體設計的研發效率。若在導彈設計中引入參數化建模技術，利用設計參數來控制已有模型更新，可以有效減少重復性操作，從而提高導彈的總體設計效率。

在航空領域，國外利用參數化建模技術已成功應用于飛行器整體的幾何建模［2-4］。而國內在航空領域對參數化建模技術的運用是從機翼參數化［5-7］到整機參數化［8-10］漸進發展的，并且多運用于飛行器性能的優化設計［11-14］。

但國內航空領域內參數化建模全部依賴于對傳統商業幾何造型軟件(如UG、Pro/E和CATIA等)的二次開發，沒有為導彈總體設計量身定制的幾何造型軟件，將幾何模型用于學科性能分析時，常需進行幾何模型數據格式轉換而不能直接使用原有數據格式。因此，文中在研究了導彈幾何外形參數化命名規則和開源的Open CASCADE三維造型技術之后，提出了一種新的適用于導彈概念設計階段的導彈幾何外形參數化建模方法并完成了原型工具包的開發。該方法可以實現常規導彈幾何外形模型的參數化建模和尺寸更新，并能與相關性能分析軟件實現無需數據格式轉化的文件交互，提高了導彈總體優化設計的效率。

1 輕量化導彈幾何外形參數化描述

輕量化導彈幾何外形參數化描述，即忽略具體細節(如內部結構等)僅對導彈基本幾何特征進行描述。結合實際建模的具體需求，文中將導彈劃分為彈身、彈翼和翼身銜接三部分進行描述。

1.1 彈身參數化

彈身又可以分為彈身頭部(下文簡稱彈頭)、彈身中部和彈身尾部(下文簡稱彈尾)三部分。

彈頭可分為4類:球冠形、圓錐形、橢球形和二次曲線形(如圖1所示)。球冠形和圓錐形彈頭可用Ln(彈頭長)和Dn(彈頭直徑)描述，橢球形彈頭可用an(橢球形彈頭的長軸長)、bn(橢球形彈頭的短軸長)和Dn來描述，二次曲線彈頭則通過輸入曲線方程及Dn來描述。

圖1 彈頭參數化

彈身中部按截面形狀可劃分為圓形截面和橢圓形截面兩類。描述參數有圓形截面直徑Dc，橢圓截面寬度W，橢圓截面高度H，橢圓形截面橢圓率E=H/W和彈身中部長度Lc。

彈尾與彈頭類似，一般也可分為4種類型:圓柱形、船尾形、橢球形和裙擺形。圓柱形、船尾形和裙擺形彈尾可用Dt(彈尾截止直徑)和Lt(彈尾長)描述，橢球形彈尾可用at(橢球形彈尾的長軸長)、bt(橢球形彈尾的短軸長)和Dt來描述。

1.2 彈翼參數化

彈翼描述由翼型和翼面組成，通過這兩部分可以對彈翼進行完整描述。常見的翼型有六邊形翼、菱形翼(六邊形的特殊情況)、雙弧翼和NACA翼。

以六邊形翼為例，翼型的參數化描述如圖2所示，參數描述如表1所示。

圖2 六邊形翼參數化

表1 六邊形翼參數描述

翼面的參數化描述可統一采用如圖3所示的參數進行定義(如表2所示)，對于多段翼，則每段均按此規則命名即可。

圖3 翼面參數化

表2 典型翼面布局參數

1.3 翼身銜接參數化

要實現全彈參數化描述，除了確定彈身與彈翼參數化外，還需確定彈翼在彈身縱向、周向參數及其翼面(舵面)偏轉角(圖4)。

圖4 翼身銜接參數化

2 導彈幾何建模系統框架

導彈輕量化幾何參數化建模系統是利用Open CASCADE成熟便捷的幾何造型技術和Microsoft Visual Studio簡潔完善的圖形用戶界面開發功能共同搭建完成的。其基本的系統框架如圖5所示。

圖5 導彈幾何建模系統框架圖

2.1 Open CASCADE導彈幾何外形建模

Open CASCADE是由法國的Matra Datavision公司開發的開源3D幾何造型內核，可無償下載使用，是非營利性的。主要包括:基礎類庫、模塊數據庫、模型算法庫、可視化類庫、數據交換和應用框架類庫［15］。同其他幾何造型庫一樣，Open CASCADE的幾何造型也是由點、線、面、殼和體5種基本數據組成。Open CASCADE采用C++語言開發，適用于Linux、Windows和 Sun Solaris三種操作系統［15］。

基于Open CASCADE繪制導彈的幾何外形可以分為二維和三維幾何體繪制及幾何模型布爾操作三大部分。二維幾何體主要包括彈頭、彈身中部和彈尾母線的繪制及機翼的根翼和稍翼的繪制。三維幾何體主要包括彈頭、彈身中部和彈尾的成型和機翼的成型。布爾操作是指根據翼身銜接參數將彈身與彈翼進行連接從而得到全彈的三維幾何模型的過程。

2.2 系統與性能分析軟件的數據接口

為提高導彈輕量化幾何參數化建模系統所建模型的通用性，除導出幾何模型和存儲導彈參數化信息外，還實現了與常規需要幾何模型作為輸入的性能分析軟件之間的數據交互。系統本身支持IGES、Stl和Step等多種幾何模型文件格式的導出功能，無需格式調整就直接能用于以幾何模型為基礎的性能分析軟件，最大程度的保證了幾何模型信息的完整性。

3 導彈幾何外形參數化建模流程

導彈幾何外形參數化建模流程如圖6所示。

流程簡述如下:

圖6 導彈幾何外形參數化建模流程圖

第一，從導彈模型庫中選取或新建需要進行參數化的導彈模型;第二，將導彈模型分解成彈身、彈翼和翼身銜接三部分;第三，對各部分進行參數提取;第四，將各部分的參數進行整合，形成該導彈模型的參數化模型文件并錄入參數化導彈模型庫;第五，修改或更新導彈模型參數，將新生成的導彈模型進行性能分析，若滿足設計指標要求，則退出，若不滿足，則重復修改模型參數。

4 應用實例

文中所研究方法具有以下兩個優點:1)快速性，幾何模型的構建時間僅為幾秒鐘;2)通用性，生成的導彈幾何體能直接用于以導彈幾何模型為輸入的性能分析。下面以“硫磺石”導彈模型更新和氣動性能計算為例，證明研究方法的快速性和通用性。

“硫磺石”導彈由球冠形彈頭、圓柱形彈身中部、略收縮的圓柱形彈尾和8副(2組)成型布局的六角形彈翼組成。忽略彈上凸起物創建的導彈模型與真實模型對比如圖7所示。

圖7 導彈模型與真實模型對比圖

表3 基準模型與改進模型的變量取值

按表3中粗體所示更新幾何模型，因幾何構型算法是以C++語言實現，速度快，整個模型重建過程僅需幾秒，遠小于人為重新繪制幾何模型的時間。更改前后模型的對比如圖8和圖9所示。

如前述，文中所研究方法對導彈的幾何模型有兩種表述方式，即幾何尺寸參數描述法和幾何模型描述法兩種。兩種描述法能滿足多數以幾何模型為輸入的導彈性能分析軟件對模型的要求，進而直接進行性能分析，通用性強。以氣動分析為例，選用DATCOM和FLUENT作為分析軟件的代表，分別以幾何尺寸參數導入DATCOM進行氣動分析和將幾何模型以Step格式直接導入FLUENT軟件進行CFD氣動性能分析，兩種方法得到的升阻比隨攻角變化曲線如圖10所示，證明了所研究方法及開發工具包生成的導彈模型的通用性(假設導彈在海平面，以0°舵偏，0.5Ma的巡航速度飛行)。

圖8 原型彈網格劃分圖

圖9 改進彈網格劃分圖

圖10 升阻比隨攻角變化曲線

5 結束語

導彈的幾何外形在導彈總體設計中占有重要的地位。文中通過對導彈幾何外形系統化的參數描述，利用Open CASCADE的深入開發，提出了不依賴于任何商業幾何構型軟件的導彈輕量化幾何參數化建模方法并開發了原型工具包。最后以類硫磺石導彈的模型更新與氣動計算為例驗證了該方法的實用性，為導彈總體概念設計中快速幾何建模、模型更新和性能分析提供了一種新方法。

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