輕量化在火炮設計中的應用綜述

鞏博瑞，王向勝，王天文，張信虎，任啟愿，周文卿

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

1 輕量化在火炮設計中的重要性

隨著軍事科技的發(fā)展，以立體化、海陸空多方位、多軍種協同作戰(zhàn)的受核武器威脅常規(guī)性局部戰(zhàn)爭成為未來戰(zhàn)爭的主要模式[1]。鑒于現代戰(zhàn)場的流動性，要求武器裝備具有快速部署、快速響應、快速運輸的能力。減輕武器裝備質量，對于提高裝備的作戰(zhàn)平臺適應性、機動性、作戰(zhàn)人員戰(zhàn)場生存能力等具有重要的積極意義。

隨著現代戰(zhàn)爭信息化、無人化、智能化的發(fā)展，火炮逐漸由傳統的戰(zhàn)略支援作用逐漸向著作戰(zhàn)主力轉變。以俄羅斯“蓮花”空降自行火炮、美國M1064A3兩棲自行火炮、美國AC-130空中炮艇等新型火炮在實戰(zhàn)中的應用，標志著傳統火炮逐漸突破陸基平臺限制，向著海上、空中等平臺發(fā)展。輕量化設計可科學、合理、高效地減輕火炮質量，有利于提高火炮部署、機動、運輸等能力，有利于裝備向著如空、海等作戰(zhàn)平臺的拓展，在火炮設計中受到越來越多的關注。

2 輕量化主要思想及方法

輕量化設計是對構件進行設計，使其在滿足使用要求的情況下，質量盡可能小，具體到火炮武器裝備設計中，使用要求不僅包括如傾斜、壓彎、擊穿、斷裂、凸起等靜態(tài)穩(wěn)定性，還包括如顫動、諧振等動態(tài)穩(wěn)定性。在實際設計工作中，一般結合零部件最常見失穩(wěn)工況，選取單個或多個特性，采用準確可靠優(yōu)化計算方法，盡可能將材料負載均勻化。與傳統結構件的輕量化設計方法相同，火炮設計中的輕量化一般可分為材料輕量化、結構輕量化、多學科設計優(yōu)化。

2.1 材料輕量化

傳統火炮裝備中零部件材料以鋼材為主，隨著材料學科的發(fā)展，已經有越來越多的新材料逐漸應用于火炮設計中[2]，如高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金和復合材料。表1所示為幾種常用金屬材料的性能指標。

表1 火炮裝備常用金屬材料力學性能

鑄鋁常應用于底盤輪轂和各種瞄準、高低方向隨動、作戰(zhàn)指揮、信息記錄等控制類及軟件處理類箱體；鋁合金一般用于非承力件或載荷相對較小承力件，如瞄準裝置底座[3]。潘玉田等[4]對履帶式自行火炮負重輪輪轂進行輕量化設計，將越野狀態(tài)載荷加載到負重輪轂進行靜力分析，研究了鋁合金輪轂的安全性。張忠營等[5]采用等溫擠壓成型技術加工了7A04鋁合金負重輪，通過試驗得到材料力學性能參數，進行運動學分析和動力學分析驗證了負重輪的安全性，結果表明鋁合金車輛有利于降低車輛行駛中的振動，提高機動性，改善車輛的操作穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

鎂合金是比模量最高和比強度僅次鈦合金的金屬結構材料，在武器裝備領域有著廣闊的應用前景[6]，質量輕、抗拉強度高，尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊、耐磨性能好，導電、導熱、屏蔽性能優(yōu)異，具有一定的耐蝕性，常用于電氣產品箱體、小尺寸或異性支架等。相較鋁合金而言，鎂合金制造成本相對較高，僅當有散熱、沖擊、電磁干擾等方面特殊要求時可作為鋁合金的替代材料。

鈦合金具有高比強、耐腐蝕、無磁等優(yōu)異性能，常見于車體底盤、裝甲等。隨著國內外大量相關基礎和應用研究、低成本技術研究，鈦合金逐漸成為武器裝備輕量化和提升性能的首選材料[7-9]，但因較高的成本仍限制了其并不能較大規(guī)模應用。20世紀70年代，我國開展了鈦合金在火炮中的研制工作，100 mm迫擊炮研制中采用的鈦合金底板比鋼制減少10 kg，82 mm全鈦合金空降迫擊炮比鋼制減少16.6 kg，但并未取得較大的突破性進展，且實際應用極少[10]。任慶華等[11]結合國內外武器裝備實例，介紹了鈦合金材料在牽引火炮、自行火炮、裝甲車輛、彈藥中的應用。劉嘉鑫等[12]以鈦合金材料代替?zhèn)鹘y炮鋼材料，基于增材制造技術，設計了一種新型復雜結構炮口制退器，減輕了質量，增強了承載能力，提高了火炮射擊穩(wěn)定性。國外如美、英、俄羅斯等，對鈦合金在武器裝備中的使用也進行了較多研究，都取得了較大的成果。鈦合金在武器準備的典型應用如表2所示。

表2 國內外典型武器裝備典型減重方法及效果

復合材料比強度、比剛度高，可設計性強，抗疲勞性能好，在身管纏繞、結構和受力較為簡單的場合應用較多。在身管設計中，使用纖維增強的鋁基、鈦基等輕質復合材料在降低身管質量的同時還可降低變形基振動，從而提高身管壽命[13]。譚繼宇等[14]結合數值方法，采用金屬內襯外部纏繞纖維增強復合纖維殼加強身管強度，對火炮身管進行減重設計，獲得了減重16.5%且滿足強度要求的身管結構。某小口徑自行火炮彈箱采用碳纖維環(huán)氧樹脂基及復合材料，在保證彈箱強度的前提下整體減重40%[15]。

2.2 結構輕量化

結構輕量化一般可通過拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化這3種方法實現[16]，拓撲優(yōu)化確定最佳傳力路徑，形狀優(yōu)化對局部進行再設計達到降低局部應力、減重等目的，尺寸優(yōu)化通過對具體結構尺寸進行調整以提升性能、降低質量并滿足可加工性，各方法對應不同的設計階段，相互關系如圖1所示，3種優(yōu)化方法遵循如式(1)所示的數學模型。

(1)

式中：X為設計變量矩陣；f(X)目標函數；hi(X)、gi(X)為約束函數。

2.2.1 拓撲優(yōu)化

相較于其他兩種方法，拓撲優(yōu)化理論基礎完善，設計空間廣闊，創(chuàng)新性強，減重效果顯著，且軟件開發(fā)適應性強，主流結構分析軟件如ABAQUS、ANSYS、HyperWorks、Comsol、OptiStruct等都有相應優(yōu)化模塊，極大簡化了分析流程，因此國內外有大量學者從事相關工作。

拓撲優(yōu)化是一種根據給定載荷、約束等邊界條件，以材料性能、結構響應等建立約束函數，對結構設計域內材料進行分布優(yōu)化的結構設計方法，其常見方法分類如圖2所示，其中變密度法(SIMP法)和水平集方法(Level Set Method)應用最為廣泛。SIMP方法將連續(xù)體結構離散化為有限個單元，以單元的材料密度為設計變量，人為將材料密度逼近0(代表無材料)或1(代表有材料)，通過連續(xù)迭代最終求解出給定設計空間內最佳的材料分布。根據優(yōu)化目標的數量可分為單目標及多目標拓撲優(yōu)化。

2.2.1.1 單目標拓撲優(yōu)化

單目標拓撲優(yōu)化較為簡單，僅對目標結構單一工況下進行優(yōu)化設計。張海航等[17]以火炮上架整體質量最小為目標函數，針對某一確定工況，通過OptiStruct軟件進行拓撲優(yōu)化，使上架質量減小了12.17%。邊海關等[18]以火炮發(fā)射時上架兩耳軸中心變位差為約束條件，以整體結構體積最小為目標函數，利用HyperWorks進行拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后質量及最大位移均有減小。孫玲慶等[19]以火炮翻板機構回轉臂為研究對象，通過ANSYS對協調臂與回轉臂接觸狀態(tài)下機構進行了靜力分析和拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后最大等效應力下降45%，質量減少26%。葛堯等[20]結合有限元、代理模型等方法，以炮塔低階頻率降低為目標，通過拓撲優(yōu)化減重14.7%。劉朝勛等[21]通過ANSYS對負重輪輪盤結構進行優(yōu)化，考慮負重輪的三重非線性特性，以靜載荷下的最大等效應力為狀態(tài)變量，優(yōu)化后減重10%。

2.2.1.2 多目標拓撲優(yōu)化

現代戰(zhàn)爭中火炮是在多彈種、不同射擊平臺、不同姿態(tài)、不同外部環(huán)境等工況下使用的，不同工況下有不同動靜態(tài)響應[22]。針對特定工況下的單目標優(yōu)化，有可能導致其他工況下結構性能的降低甚至失效，因此有必要使用多目標優(yōu)化方法，折衷設計各分目標以達到整體最優(yōu)。郭曉雪等[23]針對同一方向角和高低角下，火炮后坐、復進兩種狀態(tài)下的上架受力情況，以剛度為目標函數，建立了基于歸一化指數加權準則與固體各向同性材料懲罰模型相結合的多目標優(yōu)化模型，并運用變密度法(SIMP)對火炮上架進行多目標拓撲優(yōu)化，找到滿足要求的多目標帕累托最優(yōu)解，質量降低了54.27%。張新建等[24]針對火炮上架在3種典型工況下的有限元模型，利用層次分析法建立各工況權重組合系數，通過折衷規(guī)劃法的結構拓撲優(yōu)化方法，在提高剛度的同時降低了質量。

2.2.2 形狀優(yōu)化及尺寸優(yōu)化

拓撲優(yōu)化后模型表面普遍存在異形曲面、不規(guī)則棱角等，需要綜合考慮機械加工的工藝性、經濟性進行模型重構，一般通過形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化實現。形狀優(yōu)化是通過對局部區(qū)域進行形狀攝動，并運用優(yōu)化算法求解以得到滿足性能約束的最優(yōu)構型。尺寸優(yōu)化以桿橫截面積、板厚度、孔半徑、特征位置等具體形狀的具體參數為設計變量，通過優(yōu)化算法尋找最優(yōu)的設計參數組合。

孫全兆等[25]運用拓撲優(yōu)化方法尋找上架結構的主傳力路徑，修改筋板布局，然后采用尺寸優(yōu)化方法進行詳細設計，優(yōu)化后最大位移減小了32.7%，耳軸中心變位差減小52.1%。張鑫磊等[26]結合有限元理論建立了某型火炮剛柔耦合動力學模型，以質量和應變能最小為設計目標，構建徑向基函數近似模型，以搖架的外形尺寸及板厚為設計變量進行尺寸多目標優(yōu)化，優(yōu)化后搖架應變能降低10%的同時結構質量降低了6.8%。富威等[27]為提高某型艦炮搖架振動性能，首先基于SIMP法運用Workbench進行拓撲優(yōu)化，在此基礎上基于遺傳算法對搖架參數尺寸進行優(yōu)化，降低了瞬態(tài)最大位移，減小了質量。

綜上所述，結構輕量化各方法之間是互為補充、相互完善的關系，因此建立集結構拓撲、形狀、尺寸等要素于一體的火炮統一模型是輕量化設計的重要發(fā)展方向。

2.3 多學科設計優(yōu)化

多學科設計優(yōu)化指以火炮裝備整體性能為基礎，從設計的源頭出發(fā)，采用多學科綜合優(yōu)化設計技術，耦合裝備各學科、各功能，構建協同機制，明確全局設計目標的優(yōu)先度，對火炮各分系統、各單體的接口形式、連接形式等進行優(yōu)化，提高局部的協調性和裝備整體的統一性。

相對于結構輕量化，多學科設計優(yōu)化更注重裝備多個性能之間的協調統一。洪亞軍等[28]考慮內彈道、后坐阻力、身管結構、強度、剛度及壽命等多個學科，建立了火炮身管-反后坐裝置的集成模型，通過智能算法獲取Pareto最優(yōu)解，結果顯示身管質量降低9.8%，后坐阻力減少50.4%。基于彈藥理論的復雜性及重要性，有大量專家學者建立了火炮彈-炮-藥-后坐的多學科協調仿真模型，并取得了良好的設計優(yōu)化結果[29-32]。

通過合理的多學科設計優(yōu)化，在設計中可達到減少零件、合并零件、控制傳動鏈數量等目標。美國海軍金屬加工中心結合精密鑄造工藝特點，對零部件連接形式進行再設計，使M777輕型155 mm火炮核心部件總數從973減少到196，減少80%，如表3所示[33]。

表3 基于多學科設計的M777火炮部件數量對比

3 結論

1)輕量化設計是火炮武器裝備性能指標提升的重要途徑，對于裝備適應現代軍事科學技術發(fā)展具有重要意義。

2)隨著材料學科的發(fā)展，高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金和復合材料等已逐漸應用于火炮設計中，鋁、鎂合金減重方案已經較為成熟且應用較為廣泛，鈦合金、復合材料有更多的工程研究，減重效果相較更為突出，應用前景廣闊。

3)結構輕量化是目前火炮設計中最常見的減重方式，主要通過拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化方式實現，目前研究多集中在火炮上架、炮塔等支撐結構，多目標拓撲優(yōu)化尋找全局最優(yōu)，更為符合工程實際。

4)多學科設計優(yōu)化耦合了各學科、各功能，從設計的源頭出發(fā)，具有更廣闊的優(yōu)化空間、更靈活的優(yōu)化方式，減重效果最為顯著，是輕量化發(fā)展的重要趨勢。