轉(zhuǎn)管武器開(kāi)鎖器結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

賈彥飛,李 強(qiáng),李世康,高 巖

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

0 引言

由于轉(zhuǎn)管武器射速較高,每完成一次射擊循環(huán),機(jī)芯體與開(kāi)鎖器上的開(kāi)鎖齒之間都會(huì)發(fā)生碰撞,連續(xù)射擊過(guò)程中開(kāi)鎖器上的開(kāi)鎖齒便容易發(fā)生疲勞斷裂,從而影響整個(gè)轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)的工作性能。開(kāi)鎖齒斷裂后,機(jī)芯體便不能及時(shí)開(kāi)鎖,便導(dǎo)致其與炮尾發(fā)生卡滯,從而使整個(gè)自動(dòng)機(jī)都無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。故從結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面來(lái)對(duì)開(kāi)鎖器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是解決該問(wèn)題的必要舉措。

而isight優(yōu)化技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代,是由美籍華人唐兆成博士開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。該軟件技術(shù)最先應(yīng)用于波音777發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目上,實(shí)現(xiàn)了燃油消耗率1%、質(zhì)量減輕90～110 kg的優(yōu)化方案[1]。后來(lái)其廣泛應(yīng)用于汽車、航空等許多領(lǐng)域。文獻(xiàn)[2]通過(guò)isight建立了并聯(lián)構(gòu)型裝備多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái),成功實(shí)現(xiàn)將多學(xué)科技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。文獻(xiàn)[3]基于isight實(shí)現(xiàn)將車門(mén)整體質(zhì)量減小15%的設(shè)計(jì)方案。此外isight在兵器領(lǐng)域也有所應(yīng)用,文獻(xiàn)[4]基于多學(xué)科并行優(yōu)化技術(shù)對(duì)內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器的活塞裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。而文中則將isight多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)應(yīng)用于開(kāi)鎖器結(jié)構(gòu)優(yōu)化上來(lái),以得到提高開(kāi)鎖器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最優(yōu)方案。

1 開(kāi)鎖器的有限元分析

針對(duì)轉(zhuǎn)管武器開(kāi)鎖器斷裂的問(wèn)題,首先通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件UG建立轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)模型,然后通過(guò)導(dǎo)出Parasolid中間格式文件到ADAMS軟件中建立轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)虛擬樣模型(如圖1),為了模擬自動(dòng)機(jī)射擊過(guò)程中各個(gè)關(guān)重件之間的撞擊狀態(tài),在盡量保證與實(shí)際模型保持一致的基礎(chǔ)上對(duì)原轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)三維模型做了如下修改:

1)在不影響計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)于沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的部件進(jìn)行固定處理;

2)為了真實(shí)模擬轉(zhuǎn)管武器后坐運(yùn)動(dòng)過(guò)程,將試驗(yàn)測(cè)得的炮膛合力數(shù)據(jù)以SPLINE函數(shù)的形式施加與炮閂上;

3)考慮計(jì)算成本,所建立的虛擬樣機(jī)模型為全剛體模型,不考慮柔性體對(duì)部件的影響。

通過(guò)仿真計(jì)算得出了在射速為3 600發(fā)/min時(shí)射擊一發(fā)過(guò)程中機(jī)芯體與開(kāi)鎖器之間的碰撞接觸力(如圖2)。可知機(jī)芯體開(kāi)鎖過(guò)程中與開(kāi)鎖器的撞擊力峰值高達(dá)32.577 kN,開(kāi)鎖齒承受較大的撞擊力。

采用有限元理論對(duì)開(kāi)鎖器進(jìn)行強(qiáng)度分析。首先建立有限元模型,分析開(kāi)鎖過(guò)程中與機(jī)芯體接觸的主要是開(kāi)鎖器上的開(kāi)鎖齒結(jié)構(gòu),故簡(jiǎn)化掉非接觸面上的倒角、圓角等特征。同時(shí)對(duì)不影響開(kāi)鎖性能的開(kāi)鎖器下部架體略去。

采用soid186三維實(shí)體單元進(jìn)行劃分,該單元有任意的空間各向異性,支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力鋼化等。其網(wǎng)格模型如圖3所示。材料參數(shù)如表1所示。

參數(shù)參數(shù)值溫度室溫下密度/(kg/m3)7 830屈服極限/MPa1 325彈性模量/MPa2.14e+5泊松比0.29

由于開(kāi)鎖器與炮箱為固定安裝,故對(duì)開(kāi)鎖器兩端面施加固定約束。通過(guò)將動(dòng)力學(xué)分析得出的撞擊力施加在開(kāi)鎖齒撞擊面上,采用全瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的方法對(duì)開(kāi)鎖器進(jìn)行強(qiáng)度分析。

通過(guò)有限元軟件ANSYS仿真得出開(kāi)鎖器在瞬態(tài)動(dòng)力載荷下的最大應(yīng)力云圖如圖4所示,其最大應(yīng)力位置為開(kāi)鎖塊上側(cè)兩端處,與試驗(yàn)中出現(xiàn)斷裂位置大致吻合,其最大應(yīng)力值為1 466 MPa,該位置處應(yīng)力已超過(guò)屈服極限,比較容易出現(xiàn)塑性變形,屬于開(kāi)鎖結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域。

2 開(kāi)鎖器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)靈敏度分析

由以前的分析結(jié)果可以看出開(kāi)鎖器之所以發(fā)生斷裂是由于局部應(yīng)力過(guò)大引起的。故選取開(kāi)鎖器的最大應(yīng)力值為目標(biāo)函數(shù),在質(zhì)量變化不大的約束下,對(duì)開(kāi)鎖器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到減小最大應(yīng)力的目的。開(kāi)鎖器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)包括:開(kāi)鎖齒定點(diǎn)至中心距離l2、開(kāi)鎖斜齒寬度l3、開(kāi)鎖直齒寬度l4、開(kāi)鎖斜齒高度l5、過(guò)渡圓弧r2、過(guò)渡圓弧r3。其剖面草圖如圖5所示。

考慮到各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)開(kāi)鎖器的強(qiáng)度影響程度不同,文中通過(guò)采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)方法來(lái)對(duì)開(kāi)鎖器各個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行靈敏度分析。最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)可以使實(shí)驗(yàn)點(diǎn)盡量均勻地分布在設(shè)計(jì)空間中,從而使變量和響應(yīng)擬合的更加精確[4],從而為整個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考方向,減少優(yōu)化的盲目性。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)一共建立了200個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn),共進(jìn)行了201次計(jì)算,通過(guò)計(jì)算得出Pareto圖(如圖6所示),該圖顯示了所有設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)每個(gè)響應(yīng)的貢獻(xiàn)程度百分比,圖7為各個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的主效應(yīng)圖。由圖可知:由圖可知:開(kāi)鎖齒定點(diǎn)至中心距離l2對(duì)開(kāi)鎖器撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力影響較大,目標(biāo)函數(shù)在一定范圍內(nèi)隨其增大而減小,但是超過(guò)一定數(shù)值以后便會(huì)隨其增大而增大;其次開(kāi)鎖斜齒高度l5對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響較大,目標(biāo)函數(shù)在一定范圍內(nèi)隨其增大而減小;開(kāi)鎖直齒寬度l4、開(kāi)鎖斜齒寬度l3、過(guò)渡圓弧r2、過(guò)渡圓弧r3對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響權(quán)重相差不多,對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響較小。

3 建立響應(yīng)面模型

建立響應(yīng)面模型可以通過(guò)較少的試驗(yàn)在局部范圍內(nèi)得出比較精確的逼近函數(shù)關(guān)系,從而得出輸入、輸出變量之間的量化關(guān)系[4]。當(dāng)試驗(yàn)區(qū)域遠(yuǎn)離最優(yōu)區(qū)域時(shí)采用的是1階逼近,其模型為:

(1)

式中：β0為回歸系數(shù)；M+1為所需的最少樣本點(diǎn)數(shù)；βi為xi的斜率。當(dāng)試驗(yàn)區(qū)域接近于最優(yōu)區(qū)域時(shí)采用的是2階逼近,其模型為:

(2)

為降低計(jì)算成本采用一階響應(yīng)建立開(kāi)鎖器的有限元分析近似模型,其結(jié)果如圖8所示。

4 開(kāi)鎖器多參數(shù)并行優(yōu)化設(shè)計(jì)

開(kāi)鎖器結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)行程中以最大應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù),質(zhì)量為約束條件,其最終目的是找出一種最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案使開(kāi)鎖塊最大應(yīng)力最小化。則基于多學(xué)科優(yōu)化的開(kāi)鎖器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型如下所示:

minf={min vinmises(dv_l2,dv_l3,

dv_l4,dv_l5,dv_r2,dv_r3)

|mass(dv_l2,dv_l3,dv_l4)|≤1.1 m

|mass(dv_l5,dv_r2,dv_r3)|≤1.1 m

42 mm≤dv_l2≤43 mm

2 mm≤dv_l3≤3 mm

2 mm≤dv_l4≤3 mm

(3)

6 mm≤dv_l5≤8 mm

1 mm≤dv_r2≤3 mm

1 mm≤dv_r3≤3 mm

由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有非線性和連續(xù)的特點(diǎn),故文中采用梯度優(yōu)化算法MMFD來(lái)解決。該算法能夠處理設(shè)計(jì)變量是實(shí)型的問(wèn)題。同時(shí),在有任何約束作用且沒(méi)有約束沖突時(shí)采用修正可行性方向法來(lái)獲得更加精確的搜索方向,以得到最優(yōu)解[1]。優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程是在相同材料參數(shù)、相同單元類型、網(wǎng)格密度及約束條件下進(jìn)行迭代的,其優(yōu)化迭代過(guò)程如圖9所示。優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表1,可知通過(guò)優(yōu)化使得開(kāi)鎖器最大應(yīng)力由1 466 MPa降為128 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其屈服極限,而且降低幅度達(dá)到了91%。為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果在同等條件下按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,得出最大應(yīng)力為150 MPa,與isight多參數(shù)優(yōu)化結(jié)果接近,其降低幅度也達(dá)到了89.8%。由此可見(jiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到了很好的效果,在相同的撞擊條件下開(kāi)鎖器的使用壽命將大大提高。

l2/mml3/mml4/mml5/mmr2/mmr3/mmMax Mises/MPa優(yōu)化前432.82.47.42.52.51 466優(yōu)化后41.982.8252.425611.56128

5 小結(jié)

文中首先建立轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)模型,通過(guò)計(jì)算得出開(kāi)鎖器所受到的撞擊力,然后基于有限元理論分析了開(kāi)鎖器斷裂的原因。通過(guò)靈敏度分析找出對(duì)應(yīng)力影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)并利用isight建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)近似模型,然后通過(guò)梯度優(yōu)化算法MMFD集成運(yùn)行有限元程序?qū)﹂_(kāi)鎖器結(jié)構(gòu)進(jìn)行并行優(yōu)化,通過(guò)優(yōu)化得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,并且開(kāi)鎖器的最大應(yīng)力與原始方案相比大大減小,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有了很大的改善。同時(shí)該設(shè)計(jì)方法對(duì)轉(zhuǎn)管武器其他部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。