某迫擊炮座鈑拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

張孝明，劉樹華，彭克俠,劉幸國(guó)

(1.中北大學(xué)，太原　030051； 2.安陽(yáng)出入境檢驗(yàn)檢疫局，河南 安陽(yáng)　455000)

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某迫擊炮座鈑拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

張孝明1，劉樹華1，彭克俠1,劉幸國(guó)2

(1.中北大學(xué)，太原030051； 2.安陽(yáng)出入境檢驗(yàn)檢疫局，河南 安陽(yáng)455000)

摘要:新的戰(zhàn)場(chǎng)需求對(duì)迫擊炮輕量化設(shè)計(jì)提出了要求，根據(jù)迫擊炮座鈑的受力情況，基于Hypermesh-OptiStruct軟件平臺(tái)建立有限元模型，通過對(duì)迫擊炮座鈑的拓?fù)鋬?yōu)化完成改進(jìn)設(shè)計(jì)，并利用AWE有限元軟件對(duì)優(yōu)化后模型進(jìn)行剛強(qiáng)度分析，通過分析證明優(yōu)化方案的合理性;拓?fù)鋬?yōu)化后，座鈑質(zhì)量減少15.6%;該方法對(duì)迫擊炮改進(jìn)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：迫擊炮；座鈑；拓?fù)鋬?yōu)化；剛強(qiáng)度分析

迫擊炮自問世以來一直是支援和伴隨步兵作戰(zhàn)的一種有效的壓制兵器，是步兵極為重要的常規(guī)兵器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性良好的特點(diǎn)。為使迫擊炮更加適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)，減少炮組成員的武器攜帶質(zhì)量，提高作戰(zhàn)效率和機(jī)動(dòng)性，我們以某型迫擊炮座鈑為研究對(duì)象，依據(jù)迫擊炮發(fā)射時(shí)的結(jié)構(gòu)受力特性和技術(shù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)迫擊炮座鈑進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠提高迫擊炮座鈑的結(jié)構(gòu)性能，滿足結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)要求，降低研發(fā)成本和減少研發(fā)周期，在生產(chǎn)過程中已經(jīng)成為至關(guān)重要的一部分。

以某型號(hào)迫擊炮座鈑結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對(duì)象，依據(jù)迫擊炮射擊時(shí)座鈑結(jié)構(gòu)受力情況，在滿足剛強(qiáng)度要求的情況下，以減輕其質(zhì)量為目標(biāo)，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法尋求多射角工況下座鈑的最佳材料分布，對(duì)座鈑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1原座鈑剛強(qiáng)度分析

1.1材料的選擇

迫擊炮座鈑使用的材料為鋁合金材料，其材料密度為2.7×103kg/m3,彈性模量為70 MPa，泊松比為0.3，許用應(yīng)力為450 MPa。

1.1迫擊炮座鈑的受力分析

如圖1所示忽略身管、炮尾的重力，迫擊炮座鈑在發(fā)射過程中主要承受以下作用力：Fpt為炮膛合力；Fgc為后坐部分(除座鈑)的慣性力；Fgb為座鈑的慣性力；FT1，F(xiàn)T2土壤的作用力。

圖1　迫擊炮座鈑的受力特性

在靜力學(xué)分析中，通?？疾熳畲蠛笞o載下座鈑的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度。假設(shè)迫擊炮后坐部分質(zhì)心在身管軸線上，忽略座鈑的慣性力，則后坐力F=Fpt+Fgc。

1.2原座鈑模型的建立與靜力學(xué)仿真分析

原座鈑是V型筋鈑的圓形窗式座鈑，劃分網(wǎng)格與施加約束如圖2所示。

圖2　原迫擊炮座鈑有限元模型

將原迫擊炮座鈑模型導(dǎo)入AWE軟件中，在炮尾處施加膛底最大壓力34.95 MPa，邊界條件為在迫擊炮駐鋤底部施加固定約束。

迫擊炮在射擊時(shí)座鈑通常有兩種放置方式，一種是構(gòu)筑工事，將座鈑置入構(gòu)筑好的土壤工事中；另一種是將迫擊炮放置在硬質(zhì)土壤上，如水泥地等，射擊時(shí)允許的射角為70°至85°，小于70°時(shí)座鈑有滑倒的可能。由于土壤通常對(duì)座鈑有緩沖作用，第1種情況下射擊時(shí)，迫擊炮座鈑的應(yīng)力、應(yīng)變均要小于第2種情況。因而在對(duì)迫擊炮座鈑輕量化設(shè)計(jì)中，研究最惡劣的情況，即在硬質(zhì)地面水平放置射擊。因此，利用AWE軟件只分析計(jì)算迫擊炮座鈑在75°和85°兩種射角、0°和60°兩種方向角共4種工況下的剛強(qiáng)度，如表1所示。其中0°時(shí)，射角后支點(diǎn)為一個(gè)駐鋤；60°射角時(shí)，后支點(diǎn)為兩個(gè)駐鋤。

從迫擊炮座鈑的剛強(qiáng)度分析中可以看出：迫擊炮座鈑的最大應(yīng)力和最大位移均出現(xiàn)在高低角75°、方向角0°的情況下，且最大位移為1.996 4 mm，最大應(yīng)力為 424.51 MPa；4種工況下的原迫擊炮座鈑的最大應(yīng)力均分布于迫擊炮座鈑底部駐鋤處，而在迫擊炮座鈑的上表面的應(yīng)力分布均較??；從4種工況中可以看出，迫擊炮座鈑整體的剛度和強(qiáng)度有優(yōu)化的富余量，可以進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

表1原迫擊炮座鈑剛強(qiáng)度分析結(jié)果

高低角方向角最大位移/mm最大應(yīng)力/MPa75°0°1.9964424.5160°1.8552340.385°0°1.4062391.760°0.89436424.23

2座鈑的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1數(shù)學(xué)模型

OptiStruct軟件的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)包含了設(shè)計(jì)變量、約束條件以及目標(biāo)函數(shù)3個(gè)要素， 引入朗格朗日乘子：

朗格朗日方程最小化條件：

其中f(X)是設(shè)計(jì)目標(biāo)，如各種力學(xué)性能或者重量；g(X)是需要進(jìn)行約束的響應(yīng)，如對(duì)物體工作時(shí)的變形和應(yīng)力水平進(jìn)行約束[4]。

2.2拓?fù)鋬?yōu)化模型

去除不重要的部分，通過三維畫圖軟件UG建立座鈑模型，并導(dǎo)入到Hypermesh軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的有限元模型如圖3所示。

圖3　原迫擊炮座鈑的有限元模型

用Optistrict軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化為使得添加載荷方便，模型中炮尾處添加剛性單元rbe2來定義載荷作用位置[2-3]。在對(duì)迫擊炮座鈑的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，考慮到火力部分的安裝布置，為了避免優(yōu)化結(jié)束后結(jié)構(gòu)的改變使其安裝發(fā)生干涉現(xiàn)象，將與炮尾接觸相接觸處以及駐鋤與地面接觸處考慮為受載關(guān)鍵部位，其結(jié)構(gòu)不能發(fā)生變化，故而將其設(shè)置為非設(shè)計(jì)區(qū)；將其他部分設(shè)置為設(shè)計(jì)區(qū)，對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

1) 目標(biāo)函數(shù)：以座鈑體積最小為目標(biāo)函數(shù)；

2) 約束條件：在對(duì)迫擊炮進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，將stress約束為靜力分析時(shí)的最大應(yīng)力值；

3) 施加載荷：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得迫擊炮發(fā)射時(shí)的炮膛合力變化規(guī)律，取膛底壓力最大值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算?？紤]迫擊炮可以進(jìn)行360°射擊，因而在施加載荷時(shí)，設(shè)置方向角0°、+60°、120°、180° 4種工況施加載荷，將模型的優(yōu)化過程設(shè)置為對(duì)稱約束；

4) 設(shè)計(jì)變量：將單位相對(duì)密度作為迫擊炮座鈑的設(shè)計(jì)變量。

2.3拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

基于OptiStruct軟件21次優(yōu)化迭代后，計(jì)算收斂，去除密度閥值小于0.01單元后的優(yōu)化結(jié)果密度分布圖如圖4所示。

圖4　去除密度閥值小于0.01單元后結(jié)果

初次拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果顯示出迫擊炮座鈑的傳力路徑和加強(qiáng)筋板的布置，但是還需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能將其應(yīng)用于實(shí)際工程中去。

在進(jìn)一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過分析設(shè)計(jì)，最終得到如圖5所示的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過計(jì)算，優(yōu)化后的迫擊炮座鈑質(zhì)量降低了15.6%。

圖5　優(yōu)化后的迫擊炮座鈑模型

3優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)受力分析對(duì)比

優(yōu)化后的迫擊炮座鈑去除了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小的區(qū)域，同時(shí)對(duì)迫擊炮加強(qiáng)筋的布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)。將優(yōu)化后的迫擊炮座鈑建模并導(dǎo)入AWE軟件中進(jìn)行剛強(qiáng)度分析，將分析結(jié)果與原座鈑進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2　迫擊炮座鈑優(yōu)化前后對(duì)比

從表2中可以看出，優(yōu)化后的最大等效應(yīng)力比原迫擊炮座鈑略有減小，但依舊比較大。分析其原因，可能是去除材料主要是主鈑的部分，而駐鋤部分并沒有太大的變化，所以應(yīng)力變化不大，材料的減少也會(huì)使某些部位所受應(yīng)力增大。優(yōu)化后迫擊炮座鈑的最大位移除在70°射角、0°方向角時(shí)有小幅增加，在其他工況下均有較大的改善，說明優(yōu)化效果較好。表2中的計(jì)算結(jié)果顯示優(yōu)化后的迫擊炮座鈑的剛強(qiáng)度符合其設(shè)計(jì)要求，該迫擊炮座鈑達(dá)到了優(yōu)化的目的。

4結(jié)論

經(jīng)過對(duì)某迫擊炮座鈑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與力學(xué)分析，其質(zhì)量得以降低15.6%。優(yōu)化后其最大應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求?？梢钥闯?，通過Optistruct軟件中拓?fù)鋬?yōu)化方法得到的結(jié)果模型是一種承載受力比較合理的結(jié)構(gòu)。迫擊炮座鈑的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)降低部隊(duì)士兵的攜重，提高作戰(zhàn)效率具有重要意義。

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(責(zé)任編輯周江川)

本文引用格式：張孝明，劉樹華，彭克俠,等.某迫擊炮座鈑拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(4):33-35.

Citation format:ZHANG Xiao-ming, LIU Shu-hua, PENG Ke-xia, et al.Topological Optimization Design for Mortar’s Base Plate[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):33-35.

Topological Optimization Design for Mortar’s Base Plate

ZHANG Xiao-ming1, LIU Shu-hua1, PENG Ke-xia1, LIU Xing-guo2

(1.North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.The Entry and Exit Inspection and Quarantine Bureau of Anyang, Anyang 455000, China)

Abstract:To satisfy the demand of the new battleground, lightweight design of mortar was put forward. According to the force of the mortar base plat, we established finite element model based on Hypermesh-OptiStruct software. Then, using topology design of mortar’s base plate, we completed the design of improvements. The stiffness and strength of the optimized model were analyzed with the AWE finite element software. It proved the rationality of optimization plan through the analysis. After topology optimization, the mass of mortar’s base plate is decreased by 15.6%. This topology design wil have some reference to the design of mortar’s base plate.

Key words：mortar; base plate; topology optimization; analysis of stiffness and strength

文章編號(hào)：1006-0707(2016)04-0033-04

中圖分類號(hào)：TJ31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.009

作者簡(jiǎn)介：張孝明(1990—)，男，碩士研究生，主要從事火炮總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2015-11-03

【裝備理論與裝備技術(shù)】