一种小型运载火箭结构参数化设计方法与流程

本发明属于火箭总体结构设计领域，具体涉及火箭结构参数化设计方法。

背景技术：

如今，不论是进行高空科学实验还是面向空间商业开发，火箭都是人类进入太空最有效、最重要的运载工具。借助型谱丰富的火箭，人们可以将不同功能用途的各类有效载荷送入预定的位置开展任务。近年来，小型运载火箭以其快速响应、成本低、军民两用等特点成为各国运载市场的热点，在微小卫星入轨、模型飞行试验、空间探测任务等等方面取得大量成果。面向众多不同的任务也让小型运载火箭的设计变得多样化。在火箭设计的方案阶段，火箭总体结构设计是火箭研发过程中具有重要意义的工作，它与气动等其他部门配合，经过多轮迭代，最终得到一个满足总体需求的方案。这个过程是繁杂的，需要反复建立模型、调整更改模型，耗费了大量的研发时间，因而传统结构设计工作存在工作重复、效率低下、研发周期长等显著弊端。参数化设计技术相对传统方法具有效率高、自动化、可集成等优势，已经成为结构设计、外形设计等领域的主流方法。如能实现小型运载火箭结构参数化设计，将大大提高设计效率，目前国内外对火箭结构参数化设计方法的研究尚不多见。

技术实现要素：

为了实现火箭总体结构参数化设计，提高火箭研发的效率，本发明提供一种小型运载火箭结构参数化设计方法。

本发明的技术方案是：

一种小型运载火箭结构参数化设计方法，包括以下步骤：

第一步：提取火箭各组成部件即整流罩、舱段、翼片的结构特征参数，分别建立整流罩、舱段、翼片的参数化模型；

第二步：在UG软件中制作火箭参数化设计的用户界面，包括菜单与对话框，然后自动生成对话框C++模板文件；

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

第四步：编译、运行，得到动态链接库文件；

第五步：在UG中通过第二步制作的用户界面进行参数输入，点击“确定”，后台运行建模程序，得到对应的结构模型；

第六步：在Visual Studio 2010中建立NX Open工程项目，在该工程项目所含C++源文件中添加零件装配程序；

第七步：编译、运行，得到装配动态链接库文件；

第八步：在UG中执行第七步得到的装配动态链接库文件，得到自动装配模型。

第一步中，整流罩、舱段、翼片参数化模型的建立方法如下：

对于小型运载火箭，最常采用的是抛物线外形的整流罩。抛物线外形的整流罩控制参数有三个：底部直径D、长度L、壳体厚度t，通过UG的二次曲线命令生成整流罩外形曲线，再经回转即可得到整流罩壳体模型。

对于小型运载火箭，舱段采用的是整体结构舱段。

在舱段的外形上，选取舱段壳体顶端外径、末端外径和长细比λ(描述舱段外形特征的相对量，即长度与直径之比)作为舱段外形布局特征参数，舱段壳体顶端外径和末端外径相同时为圆筒外形舱段，舱段壳体顶端外径和末端外径不相同时为截锥外形舱段，长细比与顶端外径的乘积即为舱段长度，从而确定舱段外形。

内部结构件布局模型创建：舱段壳体顶端生成圆周，n等分，生成n个点；舱段壳体末端生成圆周，n等分，生成n个点；对应极角坐标的两点连线，生成n条连线，这n条连线即为纵向筋条的站位线；由顶端和末端生成的两个圆周通过UG命令由曲线组生成曲面生成曲面，该曲面称为外壳蒙皮的附着面；从舱段壳体顶端开始沿轴向等间距生成m个垂直于轴线的基准平面，基准平面与外壳蒙皮的附着面相交得到m个截面，这m个截面即为环向筋的站位面。

舱段模型生成：外壳蒙皮由外壳蒙皮的附着面加厚得到；在舱段壳体顶端圆周上的n个点处分别生成以站位线为法线的基准平面，在基准平面上创建筋条截面草图，沿站位线拉伸即得到纵向筋条；在舱段壳体顶端和舱段壳体末端的两个相交截面处生成舱段端框的截面草图曲线，回转得到端框，将其余m-2个相交截面沿轴向作拔模拉伸，即得到环向筋条；外壳蒙皮、纵向筋条、环向筋条、端框作布尔求和运算即可得到舱段的整体结构。

对于小型运载火箭，翼片翼面面积较小，采用整体壁板结构翼面，分辐射梁式、网格加筋式两种。

在翼面平面形状上：

翼面的平面形状由展弦比、根梢比、前缘后掠角这三个参数决定，因而选择这三个参数加上单独翼面面积四个参数作为翼面平面形状控制参数。

采用辐射梁式翼面结构时，辐射梁式翼面结构布局模型如下：

首先生成翼面平面形状，再生成翼根与翼梢剖面；由翼根剖面和翼梢剖面两个曲线组生成曲面，该曲面即是翼面蒙皮附着面；过辐射点与前缘4等分点、翼梢3等分点、后缘4等分点共计8个点的连线，垂直于翼面平面生成8个截面，与翼面蒙皮附着曲面得相交曲线8根，即为辐射梁的站位面。

翼面结构件实体生成：翼面蒙皮由翼面蒙皮附着面加厚得到，加厚特征参数即为翼面蒙皮的厚度；辐射梁由截面对称拉伸得到，拉伸参数即为筋条的厚度；翼面蒙皮与加筋条布尔求和运算得到翼面整体结构。

采用网格加筋翼面结构时，网格加筋翼面结构布局模型如下：

首先生成翼面平面形状，再生成翼根与翼梢剖面；由翼根剖面和翼梢剖面通过UG命令由曲线组生成曲面生成一个曲面，该曲面即是翼面蒙皮附着面；沿展向等间距生成n个平面，与翼面蒙皮附着面相交得弦向筋条站位面；沿弦向等间距生成m个平面，与翼面蒙皮附着面相交得展向筋条站位面。

翼面结构件实体生成：翼面蒙皮由翼面蒙皮附着面加厚得到，加厚特征参数即为翼面蒙皮的厚度；网格加筋条由截面对称拉伸得到，拉伸参数即为筋条的厚度；翼面蒙皮与加筋条布尔求和运算得到翼面整体结构。

第三步中所述添加零件建模程序，下面阐述零件建模程序的编写：

零件建模程序是通过调用UG二次开发工具UG Open API封装的函数，主要有草图创建函数(SketchInPlaceBuilder)、线串命令(CreateLine)、拉伸函数(ExtrudeBuilder)、回转函数(RevloveBuilder)、文件操作函数(FileNew、FileSave)。

第六步中所述添加零件装配程序，下面阐述零件装配程序的编写：

零件装配程序也是通过调用UG二次开发工具UG Open API封装的函数，主要有

添加组件(AddComponent)、移动组件(MoveComponent)、获取特征面或特征线(FindObjects)、添加装配约束(CreateConstraint)(包括接触、同心、对齐、偏移距离等)、文件操作函数等函数(FileNew、FileSave)。

本发明流程清晰、程序稳定，依照本发明进行火箭结构参数化设计有以下优点：

(1)采用结构基元的思想，不再需要针对各个类似部件建立参数化模型，建模效率高，也因此可以适应布局的灵活性；

(2)分组件建模再装配，可以适应不同的火箭布局；

(3)采用基于UG的二次开发进行参数化设计，效率高、自动化、可集成；

(4)本套参数化方法可以推广至其他飞行器结构参数化设计。

附图说明

图1为火箭参数化设计用户界面；

图2为舱段外形参数；

图3为舱段布局模型；

图4为翼面平面形状参数；

图5为辐射梁式翼面结构布局模型；

图6为网格加筋式翼面结构布局模型；

图7为火箭结构参数化设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明一种小型运载火箭结构参数化设计方法，包括以下步骤：

第一步：分析火箭各组成部件，包括整流罩、舱段、翼片的结构特征，提取特征参数，确定建模思路，分别建立整流罩、舱段、翼片的参数化模型。

第二步：在UG软件中制作火箭参数化设计的用户界面，包括菜单与对话框，如图1所示。然后自动生成对话框C++模板文件。

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

第四步：编译、运行，得到动态链接库文件。

第五步：在UG中通过第二步制作的用户界面进行参数输入，点击“确定”，后台运行建模程序，得到对应的结构模型。

第六步：在Visual Studio 2010中建立NX Open工程项目，在工程项目所含的C++源文件中添加自动装配程序。

第七步：编译、运行，得到装配动态链接库文件。

第八步：在UG中执行第七步得到的装配动态链接库文件，得到自动装配模型。

下面对以上第一步、第三步、第六步作出说明：

⒈步骤一中所述结构参数化模型的建立，下面分别阐述整流罩、舱段、翼片参数化模型的建立。

⑴整流罩

对于最常采用的抛物线外形的整流罩控制参数有三个：底部直径(D)、长度(L)、壳体厚度(t)。通过UG的二次曲线(Rho值为0.5)命令生成整流罩外形曲线，再经回转即可得到整流罩壳体模型。

⑵舱段

对于小型运载火箭，舱段采用的是整体结构舱段。

(1)外形特征：

对于舱段，壳的直径和长度是反映外形的直接特征。壳的直径是根据发动机的直径以及实验段直径决定的，它应作为特征参数之一。外形布局特征主要是来源于气动提出的要求，从气动力特性考虑，主要是零升阻力的影响。零升阻力系数由底部阻力系数摩擦阻力系数波阻系数三部分组成，其中摩擦阻力系数和波阻系数与箭身长细比(描述舱段外形特征的相对量，即长度与直径之比)关系极大，因此长细比应是重要的一个特征参数。由于圆筒外形和截锥外形只是两端直径是否一致的辩证关系，所以圆筒外形与截锥外形可以通过舱段1端外径与2端外径的组合得到统一，即相同时为圆筒外形，不相同时为截锥外形。综上，如图2所示，选取壳体1端外径、2端外径和长细比λ作为外形布局特征参数，长细比与顶端外径的乘积即为舱段长度，从而确定舱段外形。

(2)内部结构：

结构件布局模型创建：如图3所示，1端生成圆周，n等分，生成n个点；2端生成圆周，n等分，生成n个点；对应极角坐标的两点连线，生成n条连线，这n条连线即为纵向筋条的站位线；由1端和2端生成的两个圆周通过UG命令由曲线组生成曲面生成一个曲面，该曲面称为外壳蒙皮的附着面；从1端开始沿轴向等间距生成m个垂直于轴线的基准平面，基准平面与外壳蒙皮附着面相交得到m个截面，这m个截面即为环向筋的站位面。

实体模型生成逻辑：蒙皮由外壳蒙皮附着面加厚得到；在1端圆周上的n个点处分别生成以站位线为法线的基准平面，在平面上创建筋条截面草图，沿站位线拉伸即得到纵向筋条；在1端和2端的两个相交截面处生成端框的截面草图曲线，回转得到端框，将其余m-2个相交截面沿轴向作拔模拉伸，即得到环向筋条。蒙皮、纵向筋、环向筋、端框作布尔求和运算得到舱段整体结构。

⑶翼片

对于小型运载火箭，翼片翼面面积较小，采用整体壁板结构翼面，分辐射梁式、网格加筋式两种。

①翼面平面形状。

如图4所示，翼面平面形状的直接控制参数有翼根长度(b0)、翼梢长度(b1)、前缘角度(a)、展长(h)，但这几个单独的参数没有实际意义，只是几何形体上的描述参数而已。外形布局特征是来源于气动总体的要求，从气动力特性角度来看，升力系数、升阻比、临界攻角均与展弦比关系极大，根梢比又很大程度上影响最大升阻比、翼根剖面结构强度等，前缘后掠角则对翼面的产生很大的影响，前缘后掠角的增大还将延缓翼面局部激波的产生，减少波阻。以上所述展弦比、根梢比均是相对量参数，决定了翼面的平面构型，而单独弹翼面积则直接决定翼面的大小。在翼面面积一定的情况下，翼面的平面形状则可以由展弦比、根梢比、前缘后掠角这三个参数决定，因而选择这三个参数加上单独翼面面积四个参数作为翼面平面形状控制参数是合理的。

②内部结构

辐射梁式翼面结构布局模型：

如图5所示，首先生成平面形状，再生成翼根与翼梢剖面；由翼根剖面和翼梢剖面通过UG命令由曲线组生成曲面生成一个曲面，该曲面即是蒙皮附着面；过辐射点与前缘4等分点、翼梢3等分点、后缘4等分点共计8个点的连线，垂直于翼平面生成8个截面，与蒙皮附着曲面得相交曲线8根，即为辐射梁的站位面。

翼面结构件实体生成：翼面蒙皮由翼面蒙皮附着面加厚得到，加厚特征参数即为翼面蒙皮的厚度；辐射梁由截面对称拉伸得到，拉伸参数即为筋条的厚度；翼面蒙皮与加筋条布尔求和运算得到翼面整体结构。

网格加筋翼面结构布局模型：

如图6所示，首先生成平面形状，再生成翼根与翼梢剖面；由翼根剖面和翼梢剖面通过UG命令由曲线组生成曲面生成一个曲面，该曲面即是翼面蒙皮附着面；沿展向等间距生成n个平面，与翼面蒙皮附着面相交得弦向筋条站位面；沿弦向等间距生成m个平面，与翼面蒙皮附着面相交得展向筋条站位面。

翼面结构件实体生成：

蒙皮由翼面蒙皮附着面加厚得到，加厚特征参数即为蒙皮的厚度；网格加筋条由截面对称拉伸得到，拉伸参数即为筋条的厚度；蒙皮与加筋条布尔求和运算得到翼面整体结构。

⒉步骤三中所述添加零件建模程序，下面阐述零件建模程序的编写：

零件建模程序是通过调用UG二次开发工具UG OpenAPI封装的函数，主要有草图创建函数(SketchInPlaceBuilder)、线串命令(CreateLine)、拉伸函数(ExtrudeBuilder)、回转函数(RevloveBuilder)、文件操作函数(FileNew、FileSave)。

⒊步骤六中所述添加零件装配程序，下面阐述零件装配程序的编写：

零件装配程序也是通过调用UG二次开发工具UG OpenAPI封装的函数，主要有

添加组件(AddComponent)、移动组件(MoveComponent)、获取特征面或特征线(FindObjects)、添加装配约束(CreateConstraint)(包括接触、同心、对齐、偏移距离等)、文件操作函数等函数(FileNew、FileSave)。

本发明提出的火箭结构参数化设计流程图如图7所示，首先由总体提供布局信息

由总体部门提供的布局信息，确定各组成部件的种类(整流罩/舱段/发动机/翼片)，然后命名各部件。

步骤二：选取参数化模型

根据上一步中对火箭组成的分类选取各部件对应的参数化模型，如仪器舱、级间段、尾段均选择舱段参数化模型。

步骤三：部件实例化

首先在Visual Studio 2010集成开发环境上建立项目，以C++为编程语言，通过调用Open API里的类库函数，包括草图创建函数(SketchInPlaceBuilder)、线串命令(CreateLine)、拉伸函数(ExtrudeBuilder)、回转函数(RevloveBuilder)等完成自动建模主程序，运行得到动态链接库文件(.dll文件)。然后通过Open UIStyler及Open MenuScipt工具定制部件设计对话框界面和菜单界面，并将对话框和菜单界面与动态链接库文件建立关联，就可以在UG软件上通过定制的菜单、对话框界面进行参数的输入，后台执行动态链接库文件最终完成模型的自动创建。

步骤四：箭体自动装配

组成箭体的各个部件建立好以后，如同部件建模一样，首先在Visual Studio 2010集成开发环境上建立项目，以C++为编程语言，通过调用Open API里的类库函数，包括添加组件(AddComponent)、移动组件(MoveComponent)、获取特征面或特征线(FindObjects)、添加装配约束(CreateConstraint)(包括接触、同心、对齐、偏移距离等)等函数，完成各个组件的装配程序，运行得到动态链接库文件(.dll文件)，执行动态链接库文件即可自动进行箭体的装配。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施案例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。