本發(fā)明屬于火箭總體結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及火箭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

如今，不論是進行高空科學(xué)實驗還是面向空間商業(yè)開發(fā)，火箭都是人類進入太空最有效、最重要的運載工具。借助型譜豐富的火箭，人們可以將不同功能用途的各類有效載荷送入預(yù)定的位置開展任務(wù)。近年來，小型運載火箭以其快速響應(yīng)、成本低、軍民兩用等特點成為各國運載市場的熱點，在微小衛(wèi)星入軌、模型飛行試驗、空間探測任務(wù)等等方面取得大量成果。面向眾多不同的任務(wù)也讓小型運載火箭的設(shè)計變得多樣化。在火箭設(shè)計的方案階段，火箭總體結(jié)構(gòu)設(shè)計是火箭研發(fā)過程中具有重要意義的工作，它與氣動等其他部門配合，經(jīng)過多輪迭代，最終得到一個滿足總體需求的方案。這個過程是繁雜的，需要反復(fù)建立模型、調(diào)整更改模型，耗費了大量的研發(fā)時間，因而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作存在工作重復(fù)、效率低下、研發(fā)周期長等顯著弊端。參數(shù)化設(shè)計技術(shù)相對傳統(tǒng)方法具有效率高、自動化、可集成等優(yōu)勢，已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計、外形設(shè)計等領(lǐng)域的主流方法。如能實現(xiàn)小型運載火箭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計，將大大提高設(shè)計效率，目前國內(nèi)外對火箭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計方法的研究尚不多見。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了實現(xiàn)火箭總體結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計，提高火箭研發(fā)的效率，本發(fā)明提供一種小型運載火箭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種小型運載火箭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計方法，包括以下步驟：

第一步：提取火箭各組成部件即整流罩、艙段、翼片的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，分別建立整流罩、艙段、翼片的參數(shù)化模型；

第二步：在UG軟件中制作火箭參數(shù)化設(shè)計的用戶界面，包括菜單與對話框，然后自動生成對話框C++模板文件；

第三步：在Visual Studio 2010中建立NX Open工程項目，打開第二步中所生成的C++模板文件，在C++模板文件中添加零件建模程序；

第四步：編譯、運行，得到動態(tài)鏈接庫文件；

第五步：在UG中通過第二步制作的用戶界面進行參數(shù)輸入，點擊“確定”，后臺運行建模程序，得到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型；

第六步：在Visual Studio 2010中建立NX Open工程項目，在該工程項目所含C++源文件中添加零件裝配程序；

第七步：編譯、運行，得到裝配動態(tài)鏈接庫文件；

第八步：在UG中執(zhí)行第七步得到的裝配動態(tài)鏈接庫文件，得到自動裝配模型。

第一步中，整流罩、艙段、翼片參數(shù)化模型的建立方法如下：

對于小型運載火箭，最常采用的是拋物線外形的整流罩。拋物線外形的整流罩控制參數(shù)有三個：底部直徑D、長度L、殼體厚度t，通過UG的二次曲線命令生成整流罩外形曲線，再經(jīng)回轉(zhuǎn)即可得到整流罩殼體模型。

對于小型運載火箭，艙段采用的是整體結(jié)構(gòu)艙段。

在艙段的外形上，選取艙段殼體頂端外徑、末端外徑和長細(xì)比λ(描述艙段外形特征的相對量，即長度與直徑之比)作為艙段外形布局特征參數(shù)，艙段殼體頂端外徑和末端外徑相同時為圓筒外形艙段，艙段殼體頂端外徑和末端外徑不相同時為截錐外形艙段，長細(xì)比與頂端外徑的乘積即為艙段長度，從而確定艙段外形。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)件布局模型創(chuàng)建：艙段殼體頂端生成圓周，n等分，生成n個點；艙段殼體末端生成圓周，n等分，生成n個點；對應(yīng)極角坐標(biāo)的兩點連線，生成n條連線，這n條連線即為縱向筋條的站位線；由頂端和末端生成的兩個圓周通過UG命令由曲線組生成曲面生成曲面，該曲面稱為外殼蒙皮的附著面；從艙段殼體頂端開始沿軸向等間距生成m個垂直于軸線的基準(zhǔn)平面，基準(zhǔn)平面與外殼蒙皮的附著面相交得到m個截面，這m個截面即為環(huán)向筋的站位面。

艙段模型生成：外殼蒙皮由外殼蒙皮的附著面加厚得到；在艙段殼體頂端圓周上的n個點處分別生成以站位線為法線的基準(zhǔn)平面，在基準(zhǔn)平面上創(chuàng)建筋條截面草圖，沿站位線拉伸即得到縱向筋條；在艙段殼體頂端和艙段殼體末端的兩個相交截面處生成艙段端框的截面草圖曲線，回轉(zhuǎn)得到端框，將其余m-2個相交截面沿軸向作拔模拉伸，即得到環(huán)向筋條；外殼蒙皮、縱向筋條、環(huán)向筋條、端框作布爾求和運算即可得到艙段的整體結(jié)構(gòu)。

對于小型運載火箭，翼片翼面面積較小，采用整體壁板結(jié)構(gòu)翼面，分輻射梁式、網(wǎng)格加筋式兩種。

在翼面平面形狀上：

翼面的平面形狀由展弦比、根梢比、前緣后掠角這三個參數(shù)決定，因而選擇這三個參數(shù)加上單獨翼面面積四個參數(shù)作為翼面平面形狀控制參數(shù)。

采用輻射梁式翼面結(jié)構(gòu)時，輻射梁式翼面結(jié)構(gòu)布局模型如下：

首先生成翼面平面形狀，再生成翼根與翼梢剖面；由翼根剖面和翼梢剖面兩個曲線組生成曲面，該曲面即是翼面蒙皮附著面；過輻射點與前緣4等分點、翼梢3等分點、后緣4等分點共計8個點的連線，垂直于翼面平面生成8個截面，與翼面蒙皮附著曲面得相交曲線8根，即為輻射梁的站位面。

翼面結(jié)構(gòu)件實體生成：翼面蒙皮由翼面蒙皮附著面加厚得到，加厚特征參數(shù)即為翼面蒙皮的厚度；輻射梁由截面對稱拉伸得到，拉伸參數(shù)即為筋條的厚度；翼面蒙皮與加筋條布爾求和運算得到翼面整體結(jié)構(gòu)。

采用網(wǎng)格加筋翼面結(jié)構(gòu)時，網(wǎng)格加筋翼面結(jié)構(gòu)布局模型如下：

首先生成翼面平面形狀，再生成翼根與翼梢剖面；由翼根剖面和翼梢剖面通過UG命令由曲線組生成曲面生成一個曲面，該曲面即是翼面蒙皮附著面；沿展向等間距生成n個平面，與翼面蒙皮附著面相交得弦向筋條站位面；沿弦向等間距生成m個平面，與翼面蒙皮附著面相交得展向筋條站位面。

翼面結(jié)構(gòu)件實體生成：翼面蒙皮由翼面蒙皮附著面加厚得到，加厚特征參數(shù)即為翼面蒙皮的厚度；網(wǎng)格加筋條由截面對稱拉伸得到，拉伸參數(shù)即為筋條的厚度；翼面蒙皮與加筋條布爾求和運算得到翼面整體結(jié)構(gòu)。

第三步中所述添加零件建模程序，下面闡述零件建模程序的編寫：

零件建模程序是通過調(diào)用UG二次開發(fā)工具UG Open API封裝的函數(shù)，主要有草圖創(chuàng)建函數(shù)(SketchInPlaceBuilder)、線串命令(CreateLine)、拉伸函數(shù)(ExtrudeBuilder)、回轉(zhuǎn)函數(shù)(RevloveBuilder)、文件操作函數(shù)(FileNew、FileSave)。

第六步中所述添加零件裝配程序，下面闡述零件裝配程序的編寫：

零件裝配程序也是通過調(diào)用UG二次開發(fā)工具UG Open API封裝的函數(shù)，主要有

添加組件(AddComponent)、移動組件(MoveComponent)、獲取特征面或特征線(FindObjects)、添加裝配約束(CreateConstraint)(包括接觸、同心、對齊、偏移距離等)、文件操作函數(shù)等函數(shù)(FileNew、FileSave)。

本發(fā)明流程清晰、程序穩(wěn)定，依照本發(fā)明進行火箭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計有以下優(yōu)點：

(1)采用結(jié)構(gòu)基元的思想，不再需要針對各個類似部件建立參數(shù)化模型，建模效率高，也因此可以適應(yīng)布局的靈活性；

(2)分組件建模再裝配，可以適應(yīng)不同的火箭布局；

(3)采用基于UG的二次開發(fā)進行參數(shù)化設(shè)計，效率高、自動化、可集成；

(4)本套參數(shù)化方法可以推廣至其他飛行器結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計。

附圖說明

圖1為火箭參數(shù)化設(shè)計用戶界面；

圖2為艙段外形參數(shù)；

圖3為艙段布局模型；

圖4為翼面平面形狀參數(shù)；

圖5為輻射梁式翼面結(jié)構(gòu)布局模型；

圖6為網(wǎng)格加筋式翼面結(jié)構(gòu)布局模型；

圖7為火箭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的說明。

本發(fā)明一種小型運載火箭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計方法，包括以下步驟：

第一步：分析火箭各組成部件，包括整流罩、艙段、翼片的結(jié)構(gòu)特征，提取特征參數(shù)，確定建模思路，分別建立整流罩、艙段、翼片的參數(shù)化模型。

第二步：在UG軟件中制作火箭參數(shù)化設(shè)計的用戶界面，包括菜單與對話框，如圖1所示。然后自動生成對話框C++模板文件。

第三步：在Visual Studio 2010中建立NX Open工程項目，打開第二步中所生成的C++模板文件。在C++模板文件中添加建模程序。

第四步：編譯、運行，得到動態(tài)鏈接庫文件。

第五步：在UG中通過第二步制作的用戶界面進行參數(shù)輸入，點擊“確定”，后臺運行建模程序，得到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。

第六步：在Visual Studio 2010中建立NX Open工程項目，在工程項目所含的C++源文件中添加自動裝配程序。

第七步：編譯、運行，得到裝配動態(tài)鏈接庫文件。

第八步：在UG中執(zhí)行第七步得到的裝配動態(tài)鏈接庫文件，得到自動裝配模型。

下面對以上第一步、第三步、第六步作出說明：

⒈步驟一中所述結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型的建立，下面分別闡述整流罩、艙段、翼片參數(shù)化模型的建立。

⑴整流罩

對于最常采用的拋物線外形的整流罩控制參數(shù)有三個：底部直徑(D)、長度(L)、殼體厚度(t)。通過UG的二次曲線(Rho值為0.5)命令生成整流罩外形曲線，再經(jīng)回轉(zhuǎn)即可得到整流罩殼體模型。

⑵艙段

對于小型運載火箭，艙段采用的是整體結(jié)構(gòu)艙段。

(1)外形特征：

對于艙段，殼的直徑和長度是反映外形的直接特征。殼的直徑是根據(jù)發(fā)動機的直徑以及實驗段直徑?jīng)Q定的，它應(yīng)作為特征參數(shù)之一。外形布局特征主要是來源于氣動提出的要求，從氣動力特性考慮，主要是零升阻力的影響。零升阻力系數(shù)由底部阻力系數(shù)摩擦阻力系數(shù)波阻系數(shù)三部分組成，其中摩擦阻力系數(shù)和波阻系數(shù)與箭身長細(xì)比(描述艙段外形特征的相對量，即長度與直徑之比)關(guān)系極大，因此長細(xì)比應(yīng)是重要的一個特征參數(shù)。由于圓筒外形和截錐外形只是兩端直徑是否一致的辯證關(guān)系，所以圓筒外形與截錐外形可以通過艙段1端外徑與2端外徑的組合得到統(tǒng)一，即相同時為圓筒外形，不相同時為截錐外形。綜上，如圖2所示，選取殼體1端外徑、2端外徑和長細(xì)比λ作為外形布局特征參數(shù)，長細(xì)比與頂端外徑的乘積即為艙段長度，從而確定艙段外形。

(2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

結(jié)構(gòu)件布局模型創(chuàng)建：如圖3所示，1端生成圓周，n等分，生成n個點；2端生成圓周，n等分，生成n個點；對應(yīng)極角坐標(biāo)的兩點連線，生成n條連線，這n條連線即為縱向筋條的站位線；由1端和2端生成的兩個圓周通過UG命令由曲線組生成曲面生成一個曲面，該曲面稱為外殼蒙皮的附著面；從1端開始沿軸向等間距生成m個垂直于軸線的基準(zhǔn)平面，基準(zhǔn)平面與外殼蒙皮附著面相交得到m個截面，這m個截面即為環(huán)向筋的站位面。

實體模型生成邏輯：蒙皮由外殼蒙皮附著面加厚得到；在1端圓周上的n個點處分別生成以站位線為法線的基準(zhǔn)平面，在平面上創(chuàng)建筋條截面草圖，沿站位線拉伸即得到縱向筋條；在1端和2端的兩個相交截面處生成端框的截面草圖曲線，回轉(zhuǎn)得到端框，將其余m-2個相交截面沿軸向作拔模拉伸，即得到環(huán)向筋條。蒙皮、縱向筋、環(huán)向筋、端框作布爾求和運算得到艙段整體結(jié)構(gòu)。

⑶翼片

對于小型運載火箭，翼片翼面面積較小，采用整體壁板結(jié)構(gòu)翼面，分輻射梁式、網(wǎng)格加筋式兩種。

①翼面平面形狀。

如圖4所示，翼面平面形狀的直接控制參數(shù)有翼根長度(b0)、翼梢長度(b1)、前緣角度(a)、展長(h)，但這幾個單獨的參數(shù)沒有實際意義，只是幾何形體上的描述參數(shù)而已。外形布局特征是來源于氣動總體的要求，從氣動力特性角度來看，升力系數(shù)、升阻比、臨界攻角均與展弦比關(guān)系極大，根梢比又很大程度上影響最大升阻比、翼根剖面結(jié)構(gòu)強度等，前緣后掠角則對翼面的產(chǎn)生很大的影響，前緣后掠角的增大還將延緩翼面局部激波的產(chǎn)生，減少波阻。以上所述展弦比、根梢比均是相對量參數(shù)，決定了翼面的平面構(gòu)型，而單獨彈翼面積則直接決定翼面的大小。在翼面面積一定的情況下，翼面的平面形狀則可以由展弦比、根梢比、前緣后掠角這三個參數(shù)決定，因而選擇這三個參數(shù)加上單獨翼面面積四個參數(shù)作為翼面平面形狀控制參數(shù)是合理的。

②內(nèi)部結(jié)構(gòu)

輻射梁式翼面結(jié)構(gòu)布局模型：

如圖5所示，首先生成平面形狀，再生成翼根與翼梢剖面；由翼根剖面和翼梢剖面通過UG命令由曲線組生成曲面生成一個曲面，該曲面即是蒙皮附著面；過輻射點與前緣4等分點、翼梢3等分點、后緣4等分點共計8個點的連線，垂直于翼平面生成8個截面，與蒙皮附著曲面得相交曲線8根，即為輻射梁的站位面。

翼面結(jié)構(gòu)件實體生成：翼面蒙皮由翼面蒙皮附著面加厚得到，加厚特征參數(shù)即為翼面蒙皮的厚度；輻射梁由截面對稱拉伸得到，拉伸參數(shù)即為筋條的厚度；翼面蒙皮與加筋條布爾求和運算得到翼面整體結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)格加筋翼面結(jié)構(gòu)布局模型：

如圖6所示，首先生成平面形狀，再生成翼根與翼梢剖面；由翼根剖面和翼梢剖面通過UG命令由曲線組生成曲面生成一個曲面，該曲面即是翼面蒙皮附著面；沿展向等間距生成n個平面，與翼面蒙皮附著面相交得弦向筋條站位面；沿弦向等間距生成m個平面，與翼面蒙皮附著面相交得展向筋條站位面。

翼面結(jié)構(gòu)件實體生成：

蒙皮由翼面蒙皮附著面加厚得到，加厚特征參數(shù)即為蒙皮的厚度；網(wǎng)格加筋條由截面對稱拉伸得到，拉伸參數(shù)即為筋條的厚度；蒙皮與加筋條布爾求和運算得到翼面整體結(jié)構(gòu)。

⒉步驟三中所述添加零件建模程序，下面闡述零件建模程序的編寫：

零件建模程序是通過調(diào)用UG二次開發(fā)工具UG OpenAPI封裝的函數(shù)，主要有草圖創(chuàng)建函數(shù)(SketchInPlaceBuilder)、線串命令(CreateLine)、拉伸函數(shù)(ExtrudeBuilder)、回轉(zhuǎn)函數(shù)(RevloveBuilder)、文件操作函數(shù)(FileNew、FileSave)。

⒊步驟六中所述添加零件裝配程序，下面闡述零件裝配程序的編寫：

零件裝配程序也是通過調(diào)用UG二次開發(fā)工具UG OpenAPI封裝的函數(shù)，主要有

添加組件(AddComponent)、移動組件(MoveComponent)、獲取特征面或特征線(FindObjects)、添加裝配約束(CreateConstraint)(包括接觸、同心、對齊、偏移距離等)、文件操作函數(shù)等函數(shù)(FileNew、FileSave)。

本發(fā)明提出的火箭結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計流程圖如圖7所示，首先由總體提供布局信息

由總體部門提供的布局信息，確定各組成部件的種類(整流罩/艙段/發(fā)動機/翼片)，然后命名各部件。

步驟二：選取參數(shù)化模型

根據(jù)上一步中對火箭組成的分類選取各部件對應(yīng)的參數(shù)化模型，如儀器艙、級間段、尾段均選擇艙段參數(shù)化模型。

步驟三：部件實例化

首先在Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境上建立項目，以C++為編程語言，通過調(diào)用Open API里的類庫函數(shù)，包括草圖創(chuàng)建函數(shù)(SketchInPlaceBuilder)、線串命令(CreateLine)、拉伸函數(shù)(ExtrudeBuilder)、回轉(zhuǎn)函數(shù)(RevloveBuilder)等完成自動建模主程序，運行得到動態(tài)鏈接庫文件(.dll文件)。然后通過Open UIStyler及Open MenuScipt工具定制部件設(shè)計對話框界面和菜單界面，并將對話框和菜單界面與動態(tài)鏈接庫文件建立關(guān)聯(lián)，就可以在UG軟件上通過定制的菜單、對話框界面進行參數(shù)的輸入，后臺執(zhí)行動態(tài)鏈接庫文件最終完成模型的自動創(chuàng)建。

步驟四：箭體自動裝配

組成箭體的各個部件建立好以后，如同部件建模一樣，首先在Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境上建立項目，以C++為編程語言，通過調(diào)用Open API里的類庫函數(shù)，包括添加組件(AddComponent)、移動組件(MoveComponent)、獲取特征面或特征線(FindObjects)、添加裝配約束(CreateConstraint)(包括接觸、同心、對齊、偏移距離等)等函數(shù)，完成各個組件的裝配程序，運行得到動態(tài)鏈接庫文件(.dll文件)，執(zhí)行動態(tài)鏈接庫文件即可自動進行箭體的裝配。

綜上所述，雖然本發(fā)明已以較佳實施案例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。