1 前言

　　固體火箭發(fā)動機藥柱燃燒過程中燃面面積的精確計算在固體火箭發(fā)動機設(shè)計中一直占有重要地位，國內(nèi)外學(xué)者對此也提出了很多計算方法，像通用坐標(biāo)法、有限元素法和邊界坐標(biāo)法等，但這些方法基本都是數(shù)值法，其輸入復(fù)雜，無法顯示燃燒過程中燃面的精確變化，計算精度不高且容易產(chǎn)生燃面波動。隨著計算機軟硬件的飛速發(fā)展，尤其是通用CAD軟件的發(fā)展，為解決這一問題提供了許多基于圖形處理的新方法。

　　Pro/ENGINEER是美國PTC公司推出的新一代CAD/CAE/CAM軟件，它具有基于特征、全參數(shù)、全相關(guān)、單一數(shù)據(jù)庫等特點。自推出以來，由于其強大的功能，很快得到業(yè)內(nèi)人士的普遍歡迎，并迅速成為當(dāng)今世界最流行的CAD軟件之一。除了上述優(yōu)點外，Pro/ENGINEER提供了完整的二次開發(fā)接口，使得用戶可以基于Pro/ENGINEER平臺開發(fā)定制適合各個行業(yè)的應(yīng)用軟件。本文正是基于此開發(fā)了固體火箭發(fā)動機裝藥CAD軟件。軟件開發(fā)中利用Pro/ENGINEER 2001提供的二次開發(fā)包Pro/Toolkit和Vc++6.0為工具，充分利用了Pro/ENGINEER強大的三維建模功能和參數(shù)化的特點。

　　2 軟件設(shè)計原理及功能簡介

　　2.1 菜單設(shè)計

　　由于軟件的功能全部是在零件圖模式下完成的，因此軟件采用模式菜單如圖1、2所示。

　　2.2 自動建模

　　軟件之所以要提供自動建模模塊，一方面是為了提高藥柱的建模速度，另一方面是因為軟件要實現(xiàn)推移燃面的功能，因此對作圖方法有一些限制，利用自動建模程序就可完全滿足推移燃面的需要。

　　Pro/Toolkit提供了三種程序建模的方法：特征描述、簇表、UDF，文獻1對這三種方法做了詳細介紹，該軟件采用相對比較簡單的UDF方法，翼柱形藥柱一般由外輪廓、內(nèi)孔、翼、槽構(gòu)成。外輪廓采用添加材料的旋轉(zhuǎn)特征構(gòu)成，內(nèi)孔為孔特征，翼為掃描特征，槽為剪切材料的旋轉(zhuǎn)特征。預(yù)先構(gòu)建這些特征并定義好參考基準(zhǔn)、可變尺寸以及可變尺寸的記號(Symbol)，然后將這些信息存為一個后綴為gph的文件。通過程序調(diào)用這些文件并給可變尺寸及參考基準(zhǔn)重新賦值即可自動產(chǎn)生藥柱模型。圖3為一種類型翼的自動建模窗口，圖4為利用自動建模程序建立的最終藥柱模型。

圖1 主菜單入口

圖2 軟件主菜單

圖3 翼自動建模窗口

圖4 利用自動建模程序建立的藥柱模型

　　2.3 燃面推移及特征量計算

　　利用程序每間隔一定的時間修改圖形的一些尺寸(如圓筒形幾何體的內(nèi)孔直徑)，由于Pro/ENGINEER具有參數(shù)化特性，尺寸可以驅(qū)動圖形的改變，因此便可模擬出裝藥的整個動態(tài)燃燒過程，再在每一時刻利用Pro/Toolkit提供的函數(shù)精確計算燃燒面積等裝藥參數(shù)即可。然而，程序的具體實現(xiàn)還需要解決以下幾個主要問題。

　　2.3.1 裝藥中燃面與非燃面的區(qū)分

　　Pro/Toolkit自身帶有精確計算曲面面積的函數(shù)，既可以計算整個圖形的面積，也可以計算某個曲面的面積。但Pro/ENGINEER并不能自動區(qū)分燃面與非燃面。仔細研究Pro/ENGINEER的建模方法不難看出，在裝藥建模中，所有的非燃面都是通過添加材料方法生產(chǎn)的，而燃面幾乎都是通過非添加材料的方法，如打孔、切割材料等方法生成。因此，通過程序累加各個非添加材料類型的曲面面積，即可精確的計算出燃面面積。考慮到一般情況下燃面曲面的數(shù)目遠大于非燃面曲面的數(shù)目，因此程序中通過計算總面積和非燃面面積，然后取二者之差，即可求出燃面面積。

　　2.3.2 平行推移原理的實現(xiàn)

　　裝藥是按照平行推移規(guī)律燃燒的，因此，仿真燃燒過程時尺寸的改變必須符合平行推移原理，對于簡單幾何特征如圓柱面，只需改變其半徑或直徑即可實現(xiàn)，但對于斜面就必須特殊處理。

　　斜面定位尺寸在Pro/ENGINEER中一般如圖5所示，在肉厚推移量一定的情況下，改變尺寸d1、d2、d3、d4中任何幾個都不能滿足平行推移，構(gòu)造線為解決這一問題提供了簡便的方法。構(gòu)造線在Pro/ENGINEER作圖過程中只起到定位作用，不會為圖形添加新的特征。如圖6所示，可以利用構(gòu)造線作一與斜面相切的圓，要實現(xiàn)平行推移，只需改變圓的半徑即可。事實上，在裝藥圖形中大多數(shù)相交的面在相交處都有倒角，改變倒角半徑即可實現(xiàn)倒角及與其相切面的平行推移。

圖5 Pro/ENGINEER下斜面的常