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虚拟制造技术在机载武器系统研制中的应用
2017-06-16 17:17:35  作者:刘乐卿  来源:互联网
  •   1 前言   传统的机载武器产品研制过程大致分为:预研阶段、方案论证阶段、初样阶段、试样阶段、定型阶段、批生产阶段。其中大部分的人力和物力都花费在初样、试样以及定型阶段。在研制过程中,设计人员有 ...

  1 前言

  传统的机载武器产品研制过程大致分为:预研阶段、方案论证阶段、初样阶段、试样阶段、定型阶段、批生产阶段。其中大部分的人力和物力都花费在初样、试样以及定型阶段。在研制过程中,设计人员有时对产品的装配工艺以及生产加工工艺考虑不足,使得设计产品的工艺性和制造性较差。而工艺人员和加工人员不了解产品的设计思想、产品的功能和性能,造成很多问题只有在产品加工过程中甚至加工后发现,废品率较高。传统的研制过程研制周期长而且容易造成资源浪费,已经不适合现代制造业的发展步伐。随着计算机技术和信息处理技术的不断发展,诞生了许多先进制造技术和先进制造模式,虚拟制造技术就是其中很重要的一种。

  2 虚拟制造技术

  虚拟制造是以虚拟现实和仿真技术为基础,对产品的设计、生产过程统一建模,在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模仿和仿真。这样可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程,以此来优化产品的设计质量和制造过程,优化生产管理和资源规划。目前我国虚拟制造技术多集中在对产品性能具有高科技含量要求的行业中,本文将以导弹发射装置的研制过程为例,介绍虚拟制造技术在机载武器产品研制领域的应用。

  3 虚拟制造技术在机载武器研制中的应用

  导弹发射装置上连载机,下挂导弹,是机载武器系统和空空导弹的桥梁和纽带,是导弹系统的重要组成部分,零件繁多而且十分复杂。虚拟制造技术在发射装置研制中的工作主要包括以下几个内容:虚拟设计、运动学和动力学分析、结构的有限元分析、虚拟装配、虚拟加工、数据管理等等。

  3.1 虚拟建模

  虚拟建模是虚拟制造系统的核心,主要内容是根据产品的设计尺寸,建立三维几何模型,它是虚拟制造的基础工作,并为其他设计、分析提供产品的数据源。虚拟建模通过CAD软件实现,常用的CAD软件包括UG,Solidedge,CATIA等等。图1为在UG下建立发射装置中油缸模型。零件模型建立后,根据各个零件的位置、连接、配合、运动等装配关系,在CAD软件中可对已经建好的三维模型进行自底向上地模拟装配,为性能分析做好准备。

  

UG中发射装置衬套建模

  图1 UG中发射装置衬套建模

  3.2 运动学分析与动力学分析

  运动学分析的目的是通过考察各零、部件的相对运动状态,检验机构是否发生干涉并考察和评价系统的速度和加速度特征,其主要研究内容是机构的位置、速度、角速度、加速度分析。动力学研究的目的是考察发射装置在发射导弹过程中,机构的运动参数和受力情况,以及导弹的受力情况和分离参数能否满足设计要求,其研究内容包括机构动力学模型的建立、受力分析、惯性力计算、动力平衡、动力响应等方面。

  将运动部件在CAD系统中进行简化后导入动力学分析(MMS)软件中,根据零件材料对实体模型赋予密度、惯性力矩等参数,并根据发射装置的机构运动原理对模型施加约束、载荷、接触等作用。最后通过对虚拟样机的仿真得出导弹的分离参数,发射装置主要承力件的受力值,发射装置机构运动时序等重要参数,可以用来生成柔性体有限元分析的外部载荷。常用的MMS软件有MSC.Adams,DADS,SIMPACK等等。图2为Adams中发射装置的动力学仿真结果。

  

Adams中发射装置运动学和动力学后处理界面

  图2 Adams中发射装置运动学和动力学后处理界面

  3.3 结构的有限元分析

  发射装置中有许多重要的受力件,它们在载荷作用下的内力、变形以及稳定性都是设计者和用户十分关心的。动力学分析能够确定运动件的相互动力关系和作用力,但大多不能分析零件的应力,只能通过限元分析来完成。借助专门(FEA)软件如Nastran、Ansys等进行的有限元分析主要任务是完成结构的强度校核、刚度校核,确定结构的临界载荷等。

  FEA软件的实施过程包括前处理、分析计算和后处理三个部分组成。以导弹挂钩为例,首先从CAD系统获得分析的几何模型,对模型赋予材料,通过网格划分生成节点和单元,并从运动学、动力学分析系统中分别获取分析的边界条件和载荷。前处理是经济可靠地进行结构分析的关键。前处理工作完成后,就可以进行有限元计算,分析计算由计算机自动完成,包括单元分析、整体分析、结构计算等内容,从解线性方程组开始,完成节点位移、节点力等计算。后处理是计算结果的整理和分析,是实现有限元分析最终目的的手段。图3为导弹挂钩的局部应力云图。通过后处理功能可显示计算结果,绘制应力图,变形图,制作变形动画等。

  

Patran中发射装置导弹挂钩局部应力云图

  图3 Patran中发射装置导弹挂钩局部应力云图

  FEA软件提供了卓越的单个部件的建模分析能力,而对于系统级的建模效率非常低,不能分析整个系统大位移的情况。而MMS软件对于复杂的机构往往忽略构件的弹性,降低的模型的精度。随着机载武器性能要求的不断提高,分别用MMS软件进行运动学和动力学分析,用FEA软件进行零件有限元分析的方法已经不能准确地反映装置的运动情况和受力情况。为了提高仿真精度,越来越多的设计者采用刚体-柔体耦合建模方法来对发射装置进行仿真分析。

  由于运动学、动力学分析与有限元分析都是通过计算机模拟真实的情况,因而与实际情况存在着理论误差。分析类型、材料参数、网格类型和网格数目等决定了理论误差的大小。通过静力强度试验,发射试验,冲击试验等验证这些参数的选择的正确性,辅之必要的模型参数的修改,既可提高仿真分析的精度,获得较好的分析结果,也可进一步优化物理样机。

  3.4 虚拟装配

  发射装置的零件繁多而且十分复杂。为了适应飞机不断提高的作战性能要求,设计者需要降低发射装置的重量和体积,在一个有限的空间内布置大量的运动机构,因此对发射装置的装配质量要求十分精确。如果通过物理样机来验证可装配性,这样不仅使产品的开发周期延长,而且浪费人力、

  财力和物力。

  虚拟装配是在计算机上对产品模型进行数据描述和可视化数字预先装配,通过仿真手段分析产品模型,评估装配工艺,优化产品设计和装配工艺过程,及时发现与设计有关的潜在问题,以便作出正确的与装配有关的工程决策[2]。图4为UG下某发射装置的三维装配模型。装配模型描述了零、部件之间的层次关系、装配关系以及不同层次的装配体中的装配设计参数的约束和传递关系。

  

UG中发射装置壳体装配模型

  图4 UG中发射装置壳体装配模型

  通过虚拟装配可对各个级别的装配体零件进行干涉检查,也可对零、部件在构成整个产品的装配过程中的可装配型进行检查。同时,将零、部件的装配信息反馈给设计与工艺人员,便于零件与工装夹具的设计改进以及装配人员领会设计与装配规程。装配仿真动画还可对多种装配序列和装配路径进行比较,最终获得最优的装配序列和路径,减少实际生产中的装配时间。图5为某发射装置信号组件装配仿真动画。

  

发射装置信号组件装配仿真动画

  图5 发射装置信号组件装配仿真动画

  3.5 虚拟加工

  由于发射装置中有很多结构复杂的零件,在数控加工过程中,刀位点的计算十分复杂,这给数控编程带来很大困难。虚拟加工就是采用计算机仿真技术,对加工中心进行建模,由此在计算机上实现如车、铣、镗、钻等实际产品加工的本质过程,为虚拟制造建立一个真实的可视化的加工环境。虚拟加工过程可通过CAD/CAM软件如UG-II,CATIA,MasterCAM等实现,这些软件可根据产品的几何信息和加工工艺规划自动生成刀具路径和数控代码。以UG-II为例,首先对待加工产品的CAD模型进行工艺分析和规划。然后设置切削方式,刀具参数等加工参数,生成刀具路径并对刀具路径进行检测。最后生成数控代码。虚拟加工利用计算机代替人力计算可以使数控编程的工作大大简化,有效地降低产品加工成本,尤其适合新型研制的产品。

  3.6 计算机辅助工艺设计

  随着CAD、CAM技术在航空、航天企业应用中不断深入,传统的制造与装配工艺设计方式已经不能满足现代制造的要求。计算机辅助工艺设计-CAPP的出现,可使工艺人员摆脱大量、繁琐的重复劳动并且提高产品工艺的继承性,最大限度地利用现有资源。CAPP系统能够完成工艺过程设计、工艺文件管理、信息集成等工艺设计,是一个将产品数据转化成面向制造的指令性数据的重要环节,起到承上(产品设计)启下(加工制造与管理),连接CAD与CAM的作用[7]。CAPP系统的设计方法很多,典型的有基于专家系统的工具型CAPP系统,基于PDM的集成化CAPP系统以及基于AI的智能化CAPP系统等。这些CAPP系统已经在航天、汽车、电子等行业得到广泛应用。但由于CAPP是典型的跨学科的复杂问题,而工艺设计是一门经验性与技巧性很强学科,因此CAPP很难实用化和通用化。在机载武器研制中,相对于CAD与CAM而言CAPP的发展比较迟缓。

  3.7 产品数据管理

  发射装置研制到批生产阶段,虚拟产品涉及多个环节,而且数据量庞大,修改频繁。如何有效地管理这些数据,实现CAD、CAE、CAPP、CAM等各个系统间信息共享,从而提高产品的开发速度和质量,是十分关键的问题。研制单位采用产品数据管理系统PDM为整个发射装置开发过程中的各个子系统提供统一的产品信息模型以及数据的管理。PDM系统包括产品数据定义、产品结构树管理、配置管理、文档管理等功能(图6)。通过PDM系统可以有效地加强技术状态控制,保证产品数据的一致性和有效性,加速产品研发过程的信息集成,提高工作效率。

  

PDM分系统功能模型

  图6 PDM分系统功能模型

  

虚拟制造系统

  图7 虚拟制造系统

  4 结论与展望

  本文以导弹发射装置为研究对象,介绍了虚拟制造技术的虚拟建模,运动学和动力学分析,有限元分析,虚拟装配,虚拟加工,计算机辅助工艺规划,数据管理等关键技术在机载武器系统研制中的应用,展示了虚拟制造技术高集成、高效率、低成本的特点。此外,虚拟制造技术还包括,流体分析,虚拟试验,虚拟企业等技术,涉及了CAD、CAE、CAM、CAPP、PDM等多方面的技术(图7),目前已经广泛地应用于先进制造行业。这些技术的应用都大大地提高设计和生产效率,节约人力、物力资源。可见,随着计算机技术,特别是信息技术的发展,虚拟制造技术在机载武器系统研制领域将会有更加广阔的前景。



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