CN110334441B - 一种新型的火箭弹快速设计及仿真分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型的火箭弹快速设计及仿真分析方法，通过构建任务管理***、数据管理***，以及先进的火箭武器设计仿真集成平台框架，完成对设计工具与流程的定制开发与集成，实现对火箭弹整个产品研制过程的任务管理、数据管理、跨工具高效协同工作，以及对相关理论与经验知识积累和传承。本发明通过梳理火箭武器设计过程中的多专业业务，集成各专业的各类软件工具，导通软件之间的数据流，并对仿真过程数据进行统一管理，进而固化形成对火箭弹的规范设计流程，实现对火箭弹总体方案的快速分析和优化设计，提高火箭弹方案研发的效率和能力，为现代火箭武器的快速及深入综合研发提供了强有力的手段。

Description

一种新型的火箭弹快速设计及仿真分析方法
技术领域
本发明涉及机械设计及仿真技术领域，具体涉及一种新型的火箭弹快速设计及仿真分析方法。
背景技术
如今，随着世界各国军备武器力量的不断增强，为提升战斗能力，需要研制更新的现代武器，这对于作战主要装备之一的火箭武器也提出了更高的要求，尤其在研制效率和精度方面。总体***设计作为火箭武器型号研制的首要任务，直接决定最终研制产品的性能。
然而，对于总体***设计而言，不仅要求研制周期短，而且要求具备很高的产品质量与可靠性，火箭武器新型号的研制要求逐步采用通用化、组合化、系列化的工程方法进行模块化设计，并能够应用数字化信息技术整合设计过程，以便完成高效优化设计、虚拟试验验证、快速测试，实现提高新型号研制效率与质量的目的。
针对以上要求，当前的设计过程涉及到不同专业的多种工具和软件，这些工具使用门槛高，易用度差，各个单点工具的数据相互孤立，不能形成基于设计经验与标准化流程的多学科协同设计、仿真与优化体系。并且，自编软件杂乱而不统一，导致设计效率低，研发周期长，费用高，质量却不高。为了解决这些问题，提高自主设计和创新设计能力，本发明提供了一种新型的火箭弹快速设计及仿真分析方法，打破跨专业、多学科数字化协同设计仿真数据协同阻碍，对设计仿真工作中产生的过程数据进行有效管理，并基于设计理论与经验规范，简化软件操作过程，扩展设计仿真功能，形成完整的火箭武器设计流程。
发明内容
本发明提供了一种能够有效管理任务与过程数据、集成并简化设计分析过程、实现跨工具任务协同、整合设计资源，并自定义优化设计任务的火箭弹快速设计及仿真分析方法。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
通过构建任务管理***，对研制项目进行任务定义、任务执行、任务监控等管理。
通过构建数据管理***，将整个产品研发过程中产生的设计模型、技术文档、分析报告、设计结果等数据进行统一的存储和管理。
通过构建先进的火箭武器设计仿真集成平台框架，实现流程、工具与过程数据的统一展示环境。该框架能够统一集成设计仿真工具，封装工具应用业务过程，形成专业应用组件，通过对专业应用组件的调用，省去工具的中间操作步骤；同时该框架将各专业的设计仿真数据进行无缝关联，实现不同任务之间的数据自动协同，并借助于流程定制功能实现设计仿真多任务流程的自动执行。
通过调用平台框架优化算法，建立集成优化模型，提取优化模型中的设计变量、约束条件以及优化目标，建立与相应指标的映射关系，实现对模型的自动迭代设计。
本发明有益效果是：
1、此方法对火箭弹设计仿真任务的执行方法进行定制化封装，形成规范化、标准化的设计仿真过程。
2、此方法简化各类专业软件的应用复杂度，降低设计软件使用门槛。
3、此方法实现不同工具间的数据协同。
4、此方法封装设计理论与经验方法，实现对设计仿真知识的累计与传承。
5、此方法实现对设计过程数据的统一管理，保障数据价值最大化。
6、此方法集成统一设计仿真环境，形成火箭弹专业应用***。
7、此方法通过模板化操作，规范软件使用过程，提高易用性和通用性，提高工作效率。
8、此方法基于设计指标容易实现对指定设计参数的迭代优化过程。
附图说明
图1一种新型的火箭弹快速设计及仿真分析方法框架图
图2任务管理界面图
图3数据管理界面图
图4工具组件列表示意图
图5设计仿真流程图
图6总体建模界面图
图7舱段布置界面图
图8气动分析流程图
图9网格自动划分示意图
图10发动机特性分析流程图
图11弹道分析流程图
图12优化设置示意图
具体实施方式
为了解决火箭弹设计及仿真过程中的数据孤立、流程繁琐、工具应用困难等问题。结合图1-图12对本发明进行了详细说明，其具体实施步骤如下：
构建火箭弹快速设计及仿真的总体架构，包括资源层、业务层和应用层。其中，资源层是火箭弹快速设计及仿真的基础，包括各种数据资源、软件资源、硬件资源等；业务层是资源层与应用层的桥梁，也是***的运行控制中心，主要实现***中的***管理、协同设计、模型库管理、分布式计算、仿真集成框架等核心功能；应用层是各个专业室根据各自的业务需要而搭建的一些应用***，是各专业的设计人员直接操作的界面，如图1所示。
构建任务管理***，对研制项目进行任务定义、任务执行、任务监控等管理，支持对任务流程的固化处理，可以调用过往项目的任务流程模板，将设计与分析任务进行分解，并落实到具体的设计分析工作中，如图2所示。
构建数据管理***，实现对整个产品研制过程数据的统一管理，并与其他设计与优化过程的无缝集成。通过提供最先进的数据定义、研发过程数据自动记录、元数据管理、网络文件管理、数据应用集成、数据版本管理、视图定义等功能，使***具有高度的可升级性和良好的协作性，能够自动处理复杂的数据交换及大数据文件的管理；同时，数据管理***对研发过程中离散化的过程数据实行网络化管理，保证数据的完整性、可追溯性以及实现数据共享，如图3所示。
构建专业的集成框架，支持组件封装、参数驱动、流程搭建、任务执行等功能，可以提供各类软件调用接口和参数解析工具，通过封装各种应用程序或自编算法，形成专业化的应用组件。集成框架是进行联合仿真分析的主要工作环境，在其中可以进行多***分析工具和***的封装、联合仿真分析流程集成、计算监控以及数据的后处理分析。图4为基于设计框架封装好的各个专业工具组件，图5为包括参数驱动、流程搭建、任务执行的平台界面。
基于统一的集成框架，通过对火箭弹设计仿真流程中设计到的载荷、结构、控制、战斗部等专业的CAD、CAE等商用软件及其它自编程序的封装与参数解析，能够生成参数化的模板或专用组件，并嵌入到不同的应用程序中实现参数化设计，同时规范、简化软件操作过程，扩展产品功能，实现完整的火箭武器设计流程。同时，可将研发过程中模型和模板沉淀和固化，形成设计仿真流程模板，后续可直接调用流程模板快速进入设计仿真工作。图5所示为涵盖各专业的设计仿真流程，通过相互连接形成完整的火箭武器设计流程，执行该流程则完成对火箭弹的设计与仿真。各专业的设计仿真方法具体如下：
(1)通过对ProE的二次开发，以交互式界面快速完成火箭弹三维建模、舱段布置。快速建模时，只需要在弹体快速建模界面上输入总体设计参数，并选择头部曲线后，点击生成模型，即可完成弹体三维模型的创建。在完成三维建模的基础上，对火箭武器的各种设备进行布置点的设定，自动添加布置质量点，并提取得出全弹以及各个部段的重量重心和转动惯量，如图6、7所示。
(2)通过对ICEM-CFD、CFD的二次开发，将ProE传递过来的三维模型进行ICEM自动网格划分，并且将得到的网格数据自动传递到下游，然后用FLUENT进行气动计算，并自动将计算结果数据进行自动处理，形成气动计算报告，以此实现气动数值自动分析。另外，通过集成气动工程算法与气动结果后处理算法，将总体建模传递过来的模型数据作为输入，快速得到气动分析的近似结果。图8为网格划分流程图，实现对ProE几何模型的自动传递。图9为执行网格划分组件自动生成的火箭弹网格。
(3)对发动机模型实现参数化，通过对ProE的二次开发，自动提取发动机零维或一维的燃面数据与质量特性数据，并集成内弹道计算程序进行优化设计，且支持常温、高温与低温，以及多级发动机的分析过程，利用对Office的二次开发自动生成内弹道计算报告。图10为火箭弹发动机设计流程，实现发动机燃烧过程中质量特性与动力特性数据的自动提取，并生成相应的报告。
(4)通过集成不同弹道类型的弹道计算程序，将总体结构数据、动力特性、气动分析等传递过来的数据作为输入，对火箭弹弹道的专业性能数据进行自动计算与分析，并基于集成的报告模板，自动生成弹道计算报告。图11为火箭弹弹道计算流程，实现基于总体数据、气动数据与发动机数据的弹道数据自动计算与分析。
定制多学科优化工具，集成遗传算法与粒子群优化算法，实现对火箭弹设计模型的多目标优化，图12所示为遗传算法参数设置界面，包括对设计变量、约束条件、优化目标的设置。

Claims (1)

1.一种新型的火箭弹快速设计及仿真分析方法，其特征包括如下内容：
通过构建任务管理***，对研制项目进行任务定义、任务执行、任务监控，支持对任务流程的固化处理，可以调用过往项目的任务流程模板，将设计与分析任务进行分解，并落实到具体的设计分析工作中；
通过构建数据管理***，将整个产品研发过程中产生的设计模型、技术文档、分析报告、设计结果进行统一的存储和管理，数据管理***对研发过程中离散化的过程数据实行网络化管理；
通过构建先进的火箭武器设计仿真集成平台框架，构建流程、工具与过程数据的统一展示环境，结合对设计仿真工具的二次开发，完成对设计仿真工具统一集成与业务过程封装，以及对各专业设计仿真数据的无缝关联与协同，并借助于流程定制功能实现设计仿真多任务流程的自动执行；火箭武器设计仿真集成平台框架包括资源层、业务层和应用层，资源层是火箭弹快速设计及仿真的基础，包括各种数据资源、软件资源、硬件资源；业务层是资源层与应用层的桥梁，也是***的运行控制中心，主要实现***中的***管理、协同设计、模型库管理、分布式计算、仿真集成框架；
核心功能；应用层是各个专业室根据各自的业务需要而搭建的应用***，是各专业的设计人员直接操作的界面；
通过调用平台框架优化算法，建立集成优化模型，提取优化模型中的设计变量、约束条件以及优化目标，建立与相应指标的映射关系，实现对模型的自动迭代设计；
设计仿真方法具体如下：(1)通过对ProE的二次开发，以交互式界面快速完成火箭弹三维建模、舱段布置；快速建模时，只需要在弹体快速建模界面上输入总体设计参数，并选择头部曲线后，点击生成模型，即可完成弹体三维模型的创建；在完成三维建模的基础上，对火箭武器的各种设备进行布置点的设定，自动添加布置质量点，并提取得出全弹以及各个部段的重量重心和转动惯量；
(2)通过对ICEM-CFD、CFD的二次开发，将ProE传递过来的三维模型进行ICEM自动网格划分，并且将得到的网格数据自动传递到下游，然后用FLUENT进行气动计算，并自动将计算结果数据进行自动处理，形成气动计算报告，以此实现气动数值自动分析；另外，通过集成气动工程算法与气动结果后处理算法，将总体建模传递过来的模型数据作为输入，快速得到气动分析的近似结果；
(3)对发动机模型实现参数化，通过对ProE的二次开发，自动提取发动机零维或一维的燃面数据与质量特性数据，并集成内弹道计算程序进行优化设计，且支持常温、高温与低温，以及多级发动机的分析过程，利用对Office的二次开发自动生成内弹道计算报告；
(4)通过集成不同弹道类型的弹道计算程序，将总体结构数据、动力特性、气动分析传递过来的数据作为输入，对火箭弹弹道的专业性能数据进行自动计算与分析，并基于集成的报告模板，自动生成弹道计算报告。
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