ProE二次开发固体火箭发动机装药CAD软件

　　1 前言

　　固体火箭发动机药柱燃烧过程中燃面面积的精确计算在固体火箭发动机设计中一直占有重要地位，国内外学者对此也提出了很多计算方法，像通用坐标法、有限元素法和边界坐标法等，但这些方法基本都是数值法，其输入复杂，无法显示燃烧过程中燃面的精确变化，计算精度不高且容易产生燃面波动。随着计算机软硬件的飞速发展，尤其是通用CAD软件的发展，为解决这一问题提供了许多基于图形处理的新方法。

　　Pro/ENGINEER是美国PTC公司推出的新一代CAD/CAE/CAM软件，它具有基于特征、全参数、全相关、单一数据库等特点。自推出以来，由于其强大的功能，很快得到业内人士的普遍欢迎，并迅速成为当今世界最流行的CAD软件之一。除了上述优点外，Pro/ENGINEER提供了完整的二次开发接口，使得用户可以基于Pro/ENGINEER平台开发定制适合各个行业的应用软件。本文正是基于此开发了固体火箭发动机装药CAD软件。软件开发中利用Pro/ENGINEER 2001提供的二次开发包Pro/Toolkit和Vc++6.0为工具，充分利用了Pro/ENGINEER强大的三维建模功能和参数化的特点。

　　2 软件设计原理及功能简介

　　2.1 菜单设计

　　由于软件的功能全部是在零件图模式下完成的，因此软件采用模式菜单如图1、2所示。

　　2.2 自动建模

　　软件之所以要提供自动建模模块，一方面是为了提高药柱的建模速度，另一方面是因为软件要实现推移燃面的功能，因此对作图方法有一些限制，利用自动建模程序就可完全满足推移燃面的需要。

　　Pro/Toolkit提供了三种程序建模的方法：特征描述、簇表、UDF，文献1对这三种方法做了详细介绍，该软件采用相对比较简单的UDF方法，翼柱形药柱一般由外轮廓、内孔、翼、槽构成。外轮廓采用添加材料的旋转特征构成，内孔为孔特征，翼为扫描特征，槽为剪切材料的旋转特征。预先构建这些特征并定义好参考基准、可变尺寸以及可变尺寸的记号(Symbol)，然后将这些信息存为一个后缀为gph的文件。通过程序调用这些文件并给可变尺寸及参考基准重新赋值即可自动产生药柱模型。图3为一种类型翼的自动建模窗口，图4为利用自动建模程序建立的最终药柱模型。

图1 主菜单入口

图2 软件主菜单

图3 翼自动建模窗口

图4 利用自动建模程序建立的药柱模型

　　2.3 燃面推移及特征量计算

　　利用程序每间隔一定的时间修改图形的一些尺寸(如圆筒形几何体的内孔直径)，由于Pro/ENGINEER具有参数化特性，尺寸可以驱动图形的改变，因此便可模拟出装药的整个动态燃烧过程，再在每一时刻利用Pro/Toolkit提供的函数精确计算燃烧面积等装药参数即可。然而，程序的具体实现还需要解决以下几个主要问题。

　　2.3.1 装药中燃面与非燃面的区分

　　Pro/Toolkit自身带有精确计算曲面面积的函数，既可以计算整个图形的面积，也可以计算某个曲面的面积。但Pro/ENGINEER并不能自动区分燃面与非燃面。仔细研究Pro/ENGINEER的建模方法不难看出，在装药建模中，所有的非燃面都是通过添加材料方法生产的，而燃面几乎都是通过非添加材料的方法，如打孔、切割材料等方法生成。因此，通过程序累加各个非添加材料类型的曲面面积，即可精确的计算出燃面面积。考虑到一般情况下燃面曲面的数目远大于非燃面曲面的数目，因此程序中通过计算总面积和非燃面面积，然后取二者之差，即可求出燃面面积。

　　2.3.2 平行推移原理的实现

　　装药是按照平行推移规律燃烧的，因此，仿真燃烧过程时尺寸的改变必须符合平行推移原理，对于简单几何特征如圆柱面，只需改变其半径或直径即可实现，但对于斜面就必须特殊处理。

　　斜面定位尺寸在Pro/ENGINEER中一般如图5所示，在肉厚推移量一定的情况下，改变尺寸d1、d2、d3、d4中任何几个都不能满足平行推移，构造线为解决这一问题提供了简便的方法。构造线在Pro/ENGINEER作图过程中只起到定位作用，不会为图形添加新的特征。如图6所示，可以利用构造线作一与斜面相切的圆，要实现平行推移，只需改变圆的半径即可。事实上，在装药图形中大多数相交的面在相交处都有倒角，改变倒角半径即可实现倒角及与其相切面的平行推移。

图5 Pro/ENGINEER下斜面的常