復(fù)合材料火箭炮定向器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李猛，于存貴，齊賢偉，崔二巍

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

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復(fù)合材料火箭炮定向器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李猛，于存貴，齊賢偉，崔二巍

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

摘要：復(fù)合材料在火箭炮定向管中的應(yīng)用有利于減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高火箭炮戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。以某火箭炮的定向器為研究對(duì)象，建立了定向器的有限元模型，以第一階模態(tài)固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，以原有質(zhì)量不變?yōu)榧s束條件，利用HyperWorks對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化內(nèi)容包括復(fù)合材料鋪層角度和鋪層厚度。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；火箭炮；定向器

0引言

復(fù)合材料是由兩種或多種不同性質(zhì)的材料使用物理或化學(xué)方法制成的具有比單一材料性能更為優(yōu)越的材料。復(fù)合火箭炮定向管的應(yīng)用，有利于減輕整個(gè)武器系統(tǒng)的質(zhì)量，并且延長(zhǎng)使用壽命。以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合而成的玻璃鋼復(fù)合材料，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗腐蝕性和抗疲勞性強(qiáng)、電性能和熱性能好及可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，在定向管和導(dǎo)彈發(fā)射筒上得到廣泛應(yīng)用。

復(fù)合材料的使用形式最早是層合板形式，即把幾個(gè)單獨(dú)鋪層膠接而成，并且每層的纖維方向與層壓板參考軸成某一角度。由于復(fù)合材料的這種組成形式，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了巨大的空間，比如鋪層角度、鋪層厚度。本文通過(guò)改變鋪層的角度和鋪層厚度，提高結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率。

1HyperWorks優(yōu)化軟件簡(jiǎn)介

HyperWorks軟件包含HyperMesh，Optistruct，RADIOSS，HyperView等模塊，分別用于復(fù)合材料的前處理、優(yōu)化、求解、后處理，廣泛用于復(fù)合材料的分析和優(yōu)化問(wèn)題。其中HyperMesh支持Ply+Stack的復(fù)合材料鋪層建模方式，即可以自由定義復(fù)合材料的物理鋪層范圍。RADIOOS可用于復(fù)合材料的求解，支持PCOMP定義鋪層、PCOMPP定義鋪層形狀及次序，可以方便求出各層的應(yīng)力、應(yīng)變和失效指數(shù)。HyperLaminate擁有經(jīng)典的復(fù)合材料求解器，可以將復(fù)雜的三維各項(xiàng)異性的復(fù)合材料層合板等效成簡(jiǎn)單的二維各項(xiàng)異性材料平板，可以方便使用PSHELL單元建模。Optistruct具有強(qiáng)大的復(fù)合材料優(yōu)化能力，支持鋪層剪切形狀優(yōu)化、鋪層比優(yōu)化、鋪層次序的優(yōu)化等，在優(yōu)化過(guò)程中可以考慮鋪層應(yīng)力、失效等約束條件，基本流程如圖1所示。

圖1　復(fù)合材料優(yōu)化流程

2定向器優(yōu)化分析

2.1　定向器基本參數(shù)

該定向器長(zhǎng)度為3000mm，壁厚為40mm，采用環(huán)氧玻璃纖維制成的復(fù)合材料，材料性能如表1所示。

表1　環(huán)氧玻璃纖維材料性能

復(fù)合材料總共由5層纖維鋪成，每層纖維厚0.8mm。鋪成形式如圖2所示。從圖2可以看出相鄰兩鋪層的鋪層角度為45°。

圖2　復(fù)合材料鋪層形式

2.2　有限元模型的建立

使用三維繪圖軟件繪制定向器的三維模型，導(dǎo)入到HyperMesh進(jìn)行前處理。首先將繪制的實(shí)體模型抽取中面，劃分2D網(wǎng)格。根據(jù)實(shí)際的約束情況，在定向器的相應(yīng)位置建立約束。建立圖2所示的復(fù)合材料鋪層，將鋪層屬性賦予所建立的幾何模型。在HyperMesh中建立的有限元模型如圖3所示。定向器中包含螺旋導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)。

圖3　定向器有限元模型

2.3　原有模型的模態(tài)分析

本文的優(yōu)化目的是提高定向器的第一階固有頻率，首先使用RADIOSS對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析得到初始固有頻率。第一階的振型和固有頻率如圖4所示。從圖中可知，一階固有頻率為361Hz。

圖4　第一階模態(tài)振型和固有頻率

2.4　優(yōu)化分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化以設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件為三要素。設(shè)計(jì)變量是迭代過(guò)程中不斷改變用于需求最優(yōu)解的一組參數(shù)。目標(biāo)函數(shù)就是優(yōu)化所要達(dá)到的材料某種屬性，如最小質(zhì)量，它是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)的限制，是對(duì)設(shè)計(jì)變量和其他性能的要求。本文以一階固有頻率最大為目標(biāo)函數(shù)，鋪層的角度和鋪層厚度為設(shè)計(jì)變量，約束條件為總厚度不變。其中復(fù)合材料設(shè)計(jì)變量的設(shè)置如圖5所示。其中NewDvth1，NewDvth2，NewDvNth3為鋪層厚度變量，變化范圍為0.4mm~1mm；NewDv1和NewDv2為鋪層角度變量，變化范圍為別為30°~70°和70°~110°。

圖5　復(fù)合材料設(shè)計(jì)變量設(shè)置

運(yùn)行優(yōu)化程序，優(yōu)化完畢后，查看迭代過(guò)程鋪層角度設(shè)計(jì)變量和鋪層厚度設(shè)計(jì)變量的變化情況，分別如圖6，圖7所示。由圖可知第2,4鋪層的鋪層角度由45°優(yōu)化為70°，第1,5鋪層的鋪層角度由90°優(yōu)化為95°。第3鋪層厚度由0.8mm優(yōu)化為1mm，第2,4鋪層厚度由0.8mm優(yōu)化為0.53mm，第1,5鋪層厚度由0.8mm優(yōu)化為0.47mm。

圖6　鋪層角度優(yōu)化過(guò)程

圖7　鋪層厚度優(yōu)化過(guò)程

優(yōu)化分析完畢后，查看定向器的一階模態(tài)振型和固有頻率，如圖8所示。從圖中可知，固有頻率由361Hz提高到了420Hz。

圖8　優(yōu)化后的一階模態(tài)

3結(jié)論

以某火箭炮定向器為研究對(duì)象，通過(guò)改變鋪層厚度和鋪層角度提高其一階固有頻率。應(yīng)用HyperWorks軟件，設(shè)置所需的目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量，得到了合理的鋪層厚度和鋪層角度。對(duì)于復(fù)合材料優(yōu)化還有其他值得深入的地方，比如裁剪形狀和厚度分布。本文對(duì)火箭炮復(fù)合材料定向器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

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Optimization Design of Composite Director

LI Meng,YU Cun-gui, QI Xian-wei, CUI Er-wei

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:Composite materials can be used in the director of rocket launcher to reduce its mass，and enhance the technical performance of MRLS.In this paper, the director of rocket launcher is selected as the research object and the finite element model is created.Then the first mode natural frequency is chosen as the objective function,and the mass is chosen as constraint. The composite materials are optimized using HyperWorks. In this analysis,the thickness and angel of each lay are considered.

Keywords:composite material; rocket launder; director

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0111-02

作者簡(jiǎn)介：李猛(1986-)，男，山東泰安人，碩士研究生，研究方向?yàn)檐?chē)載火箭結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化。