某型突擊炮托架中支架左支板結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

張小石，王憲升，喻 翔

(重慶建設(shè)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400054)

0 引言

經(jīng)過近百年的發(fā)展，國外輪式炮的研發(fā)與裝備已具備相當(dāng)規(guī)模，其中以美國的M109A6式155 mm榴彈炮、英國的AS-90式155 mm自行榴彈炮、法國“凱撒”155 mm自行榴彈炮、意大利“帕爾瑪瑞”155 mm自行榴彈炮、瑞典“塔那”152 mm榴彈炮和南非G6155 mm榴彈炮最為典型。其特點(diǎn)是都采用了專門為自行火炮設(shè)計(jì)的底盤，具有較好的加速性、越野性和空運(yùn)性等。國內(nèi)現(xiàn)有的1970式122 mm自行榴彈炮、PLZ83式152 mm自行加榴炮、PLZ85式122自行榴彈炮和W90式203 mm自行榴彈炮已在相當(dāng)程度上提高了戰(zhàn)斗力，縮小了與外國先進(jìn)水平的差距[1]。

突擊炮托架中的支架在托架中起支撐搖架和承受突擊炮射擊后坐沖量的作用，為實(shí)現(xiàn)武器的輕量化和提高武器機(jī)動(dòng)性，本文對某突擊炮托架中支架左支板結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化[2]。

1 拓?fù)淝爸Ъ茏笾О褰Y(jié)構(gòu)及仿真分析

拓?fù)淝爸Ъ茏笾О褰Y(jié)構(gòu)如圖1所示。支架左支板材料為40Cr，其性能參數(shù)如表1所示。

圖1 拓?fù)淝爸Ъ茏笾О褰Y(jié)構(gòu)

表1 40Cr材料參數(shù)

將拓?fù)淝爸Ъ茏笾О迦S模型導(dǎo)入ANSYS中，經(jīng)賦予40Cr材料參數(shù)、生成網(wǎng)格、施加約束、求解計(jì)算、后處理得到突擊炮18°射角下拓?fù)淝爸Ъ茏笾О鍛?yīng)力云圖和位移云圖，如圖2、圖3所示。不同射角下拓?fù)淝爸Ъ茏笾О遄畲髴?yīng)力和位移如表2所示。

圖2 突擊炮18°射角下拓?fù)淝爸Ъ茏笾О鍛?yīng)力云圖

圖3 突擊炮18°射角下拓?fù)淝爸Ъ茏笾О逦灰圃茍D

表2 不同射角下拓?fù)淝爸Ъ茏笾О遄畲髴?yīng)力和位移

2 支架左支板結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及仿真分析

拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化，有時(shí)也稱為外形優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)[3，4]。與傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)不同的是，拓?fù)鋬?yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義。

拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)-目標(biāo)函數(shù)是在滿足結(jié)構(gòu)的約束情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能。減少結(jié)構(gòu)的變形能相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度，這個(gè)技術(shù)通過使用設(shè)計(jì)變量給每個(gè)有限元的單元賦予內(nèi)部偽密度來實(shí)現(xiàn)。將拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用到托架體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，則可以在滿足結(jié)構(gòu)剛度和性能要求的前提下，通過優(yōu)化確定最初階段結(jié)構(gòu)的最佳拓?fù)湫问剑O(shè)計(jì)出剛度高、重量輕的產(chǎn)品，從而達(dá)到減重的目的，提高突擊炮整體的機(jī)動(dòng)性。

取安全系數(shù)n=1.2,拓?fù)淝爸Ъ茏笾О宀牧显S用應(yīng)力[σ]=σs/[n]=800/1.2=667 MPa。從表2可知，σmax=93.4 MPa<[σ]，滿足強(qiáng)度要求；最大位移為0.576 mm，為微小變形，滿足結(jié)構(gòu)剛度要求。拓?fù)淝爸Ъ茏笾О弩w積為8 245 067.17 mm3、重量為64.312 kg。

定義拓?fù)鋬?yōu)化問題，選擇單元類型、指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域、定義和控制載荷、定義和控制優(yōu)化過程得到拓?fù)浜笥?jì)算結(jié)果。優(yōu)化過程只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)和要省去的材料百分比進(jìn)行計(jì)算迭代。具體定義優(yōu)化迭代程序如下[5-7]：

Type,1

Vsel,all！選擇需要拓?fù)鋬?yōu)化的單元

Vmesh,all

……！加載3個(gè)載荷工況

Tocomp,mcomp,multiple,3 ！執(zhí)行3次

Tovar,mcomp,obj

Tovar,volume,con,,30 ！定義體積減少30%

Totype,oc

Todef,0.0005！公差為0.0005

/dscale,,off

/contour,,2

Toloop,30,1！最大30次迭代

以密度云圖形式繪制的拓?fù)浣Y(jié)果如圖4所示。其中，淺色部分是可以優(yōu)化的，黑色部分是不可優(yōu)化的。

圖4 以密度云圖形式繪制的左支板拓?fù)浣Y(jié)果

對圖4中淺色部分進(jìn)行減重，拓?fù)浜笞笾О褰Y(jié)構(gòu)如圖5所示。重新生成網(wǎng)格、施加約束、求解計(jì)算、后處理得到突擊炮18°射角下拓?fù)浜笾Ъ茏笾О鍛?yīng)力云圖和位移云圖，如圖6、圖7所示。 不同射角下拓?fù)浜笾Ъ茏笾О遄畲髴?yīng)力和位移如表3所示。

表3 不同射角下拓?fù)浜笾Ъ茏笾О遄畲髴?yīng)力和位移

從表3可知，拓?fù)浜笾Ъ茏笾О遄畲髴?yīng)力σmax=93.8 MPa<[σ]，滿足強(qiáng)度要求；最大位移為0.580 mm，均為微小變形，滿足結(jié)構(gòu)剛度要求。拓?fù)浜笾Ъ茏笾О弩w積為7 725 788.09 mm3、重量為60.260 kg。通過拓?fù)鋬?yōu)化左支板體積減少12.5%、重量減少6.4%。

3 結(jié)論

對某突擊炮托架中支架左支板結(jié)構(gòu)進(jìn)行撲優(yōu)化設(shè)計(jì)，定義拓?fù)鋬?yōu)化程序，經(jīng)過迭代得到了基于密度云圖的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化后，支架左支板體積減少12.5%、重量減少6.4%仍能滿足強(qiáng)度剛度要求。該方法可應(yīng)用于類似結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，對實(shí)現(xiàn)武器的輕量化和提高武器機(jī)動(dòng)性有一定的參考價(jià)值。