卷弧翼火箭弹的参数化建模方法

　　参数化实现设计对象的几何外形是多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)体系中的重要组成部分。基于分析方法、半分析方法、离散方法和 CAD 描述方法是常用的 4 种参数化建模方案[1]。其中基于分析方法和基于半分析方法的区别是前者用面来映射设计变量，后者用点来映射设计变量，二者都具有可以用较少的设计变量产生较平滑几何外形的优点，缺点是只能处理较为简单的几何外形，限制了其在 MDO 体系中的应用;基于离散方法的优点是易于实施，可任意改变外形，但其设计变量多，难以保持外形平滑的缺点可能导致优化不可行;用 CAD 描述外形是基于非均匀有理 B 样条(Non-Uniform Rational B-Spines，NURBS)的模型构成方式，优点是可处理任意外形，变量可控，有效保证外形的连续和平滑且模型具有很强的通用性，缺点是建立学科间的耦合模型有一定难度。基于 CAD 描述方法的参数化建模方案成为研究热点一方面得益于它的独特优点，另一方面也跟 CAD/CAE/CAM 的三维建模技术逐步成熟分不开。计算机技术和现代工业的飞速发展，促进了商用 CAD 系统的广泛应用。以 UGNX、CATIA、Pro/Engineer 为代表的高中端 CAD 系统在提供友好的通用性建模能力的同时还提供了功能强大的二次开发接口[2]。用户可以根据自己的需要剪裁和开发这些已有的商业 CAD 系统，得到针对特定对象参数化建模系统。本文以某MDO 体系为应用需求，基于 CAD 描述方法实现了卷弧翼火箭弹的参数化建模，几何模型可用于空气动力学科的气动系数计算，同时在引入等效密度的基础上给出了弹道学科所需火箭弹的标志量信息，实现了气动学科和弹道学科间的耦合模型。

　　1 基本原理

　　以 UG 平台为例，给出其参数化建模的流程如图 1 所示。其基本原理是以每次输入(内部模式程序)/读入(外部模式程序)的设计变量为依据按照既定的拓扑关系重新创建被设计对象的三维模型并输出设计对象的相关属性信息，比如质量、质心、转动惯量等。

　　2 实现步骤

　　2.1 模型简化

　　以某远程野战火箭弹为原型弹，气动系数和标志量计算的需求为依据，将火箭弹的整体结构分为控制舱、战斗部、固体火箭发动机和稳定装置等四部分，并对各部分做如下简化：

　　控制舱 控制舱位于弹体前端，是圆弧段和圆柱段的结合体。圆弧段有锥形和冯·卡门形两种类型可选。圆弧段的底部直径和圆柱段直径均等同于弹体直径。圆弧段和圆柱段具有不同的等效密度，且暂不考虑控制舱质量在弹体飞行过程中的变化。

　　战斗部 战斗部位于控制舱后部，简化为实心圆柱，直径等于弹体直径。战斗部具有等效的分布密度。