直升機武器掛架優(yōu)化設(shè)計

鄭鳴輝 趙國文

摘?要：為提高直升機的對敵作戰(zhàn)能力，機載懸掛發(fā)射裝置作為武裝直升機攜帶機載武器的裝置在設(shè)計時需要考慮諸多因素，如空間限制、重量限制、強度需求等?？紤]到機載懸掛發(fā)射裝置的重要部件武器掛架受載通常較為簡單且在設(shè)計重量和空間上有較為明確的限制，先以拓?fù)鋬?yōu)化的方法對直升機武器掛架進行初始設(shè)計能更為有效的利用材料，得到傳載效率較高的設(shè)計方案?？紤]到掛架制造的工藝性，在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對武器掛架重新建模并通過數(shù)值分析方法進一步調(diào)整材料分布，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸即可得到符合滿應(yīng)力設(shè)計和輕量化要求的掛架結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：武器掛架；拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化設(shè)計

中圖分類號：TB?文獻標(biāo)識碼：A??doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.15.089

0?引言

機載懸掛發(fā)射裝置主要用于攜帶和投放各種航空武器，傳統(tǒng)的機載懸掛發(fā)射裝置大體為扁矩形，有復(fù)雜的加強筋分布和機械傳動結(jié)構(gòu)，起到連接武器和機體，控制武器隨機運動，投放或發(fā)射的作用。掛架是機載懸掛發(fā)射裝置中的重要部件，主要用于承擔(dān)吊掛武器的各種載荷，掛架設(shè)計合理與否，剛度、強度是否滿足要求將直接影響機載懸掛發(fā)射裝置的使用性能甚至是載機的飛行安全。

掛架設(shè)計的傳統(tǒng)方法一般為參照現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，依據(jù)已知載荷和設(shè)計經(jīng)驗確定出大致的初始結(jié)構(gòu)，再通過數(shù)值模擬方法調(diào)整結(jié)構(gòu)的尺寸，重復(fù)迭代上述過程最終可得到符合重量和強度、剛度要求的掛架結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)方法的局限性在于在已有方案的基礎(chǔ)上改進，難以設(shè)計出一個傳載效率更高的構(gòu)型。在受力明確的狀態(tài)下，采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法獲取初始結(jié)構(gòu)能很好地彌補傳統(tǒng)設(shè)計方法的這一缺點。本文在空間、質(zhì)量限制下，采用拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，完成武器掛架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一種設(shè)計思路。

1?掛架模型簡介

考慮直升機的機載懸掛發(fā)射裝置安裝在機身兩側(cè)的短翼上，短翼由兩個梁、兩個肋和蒙皮組成，如圖1所示，武器掛架上的四個接頭受到的載荷見表1，需要在設(shè)計域內(nèi)設(shè)計合適的掛架結(jié)構(gòu)在滿足強度要求下用于承載，掛架材料為高強度鋁合金，彈性模量為72GPa，泊松比為0.33，強度極限σb為460MPa，屈服極限σ0.2為392MPa，掛架的安全系數(shù)取1.5。

2?掛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1?掛架設(shè)計流程

根據(jù)設(shè)計要求及掛架受載的分析，考慮到前后接頭之間的跨距較大，將掛架拆分為由接頭1和接頭2組成的前掛架區(qū)域，接頭3和接頭4組成的后掛架區(qū)域。適當(dāng)去除中間區(qū)域材料，合理的選取設(shè)計域更有利于計算結(jié)果的收斂。初步確定掛架與支撐結(jié)構(gòu)之間采用螺栓連接，掛架的整體設(shè)計流程見圖2。

2.2?基于密度法的拓?fù)鋬?yōu)化

對于連續(xù)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)問題，拓?fù)鋬?yōu)化常求解的問題有約束結(jié)構(gòu)剛度的情況下求最小體積和約束體積的情況下求最大剛度。本文主要討論在約束體積的情況下求解最大剛度的問題。在基于密度法（SIMP）的拓?fù)鋬?yōu)化中，有限元模型的剛度矩陣可以表示為和密度相關(guān)的函數(shù)。即

Kρ=∑ni=1ρpiKi??i=1，2，…，n?，p＞1（1）

其中，ρi為第i個單元的相對密度，p為懲罰因子。約束優(yōu)化后的體積小于初始體積的10%，以最小應(yīng)變能為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化問題可以表述為：

Findρi，??i=1，2，…n

Min?c=UTKU

s.t.K（ρi）U=F（2）

∑ni=1ρiνi-V≤0

0<ρmin≤ρi≤1，??i=1，2，…n

其中，V-是材料體積的上限約束，即為初始優(yōu)化區(qū)域體積的10%。為了避免剛度矩陣奇異，ρmin一般取0.001。

2.3?掛架優(yōu)化設(shè)計

接頭1、2組成的前掛架區(qū)域和接頭3、4組成的后掛架區(qū)域均采用上述設(shè)計流程，以前掛架區(qū)域為例，確定設(shè)計域并施約束和載荷，對結(jié)構(gòu)劃分六面體網(wǎng)格，優(yōu)化后得到的結(jié)構(gòu)見圖3a。

重建模型?（圖3b）并對其進行有限元分析后得到（如圖3c）所示的結(jié)果。分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除部分區(qū)域外基本滿足強度要，可以在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對前掛架進行尺寸優(yōu)化。對于應(yīng)力較大的桿件區(qū)域需要適當(dāng)加強，板面區(qū)域的應(yīng)力較小，可以適當(dāng)減少材料的使用。

由于在比照拓?fù)鋬?yōu)化模型對結(jié)構(gòu)進行重新建模的過程中考慮到工藝性等因素對結(jié)構(gòu)做出了適當(dāng)?shù)淖冃危谥匦逻M行有限元分析后需要根據(jù)結(jié)果再進行尺寸優(yōu)化使得設(shè)計的結(jié)構(gòu)更為合理。迭代調(diào)整局部區(qū)域的材料尺寸，在結(jié)構(gòu)已經(jīng)滿足強度要求的基礎(chǔ)上加入了螺栓連接區(qū)域并進行了校核，后掛架采用相同的方法進行優(yōu)化，最終得到符合強度要求的前后掛架設(shè)計，結(jié)果見圖4。

此時初始設(shè)計空間中的掛架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3?總結(jié)

本文針對直升機武器掛架的受載情況對其進行了優(yōu)化設(shè)計，考慮到武器掛架前后接頭間的跨距較大，將設(shè)計空間拆分為兩個部分，以拓?fù)鋬?yōu)化的方法確定合適的結(jié)構(gòu)傳力形式，在控制重量的前提下得到更有承力針對性的構(gòu)型。以尺寸優(yōu)化的方法調(diào)整掛架中桿件和薄板的尺寸，最終得到了更為滿足強度要求和符合輕量化設(shè)計要求的結(jié)構(gòu)。

參考文獻

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