艦炮結構動力學仿真與優化

李猛,陳毅,常久龍

(1.南京理工大學,江蘇南京210094;2.承德石油高等專科學校,河北承德06700;3.湖北三江航天江河化工科技有限公司,湖北宜昌444200)

0 引言:

火炮是戰爭中不可或缺的一員,以其強大而持久的火力支援能力而聞名。火炮是一個非常復雜的非線性動力學系統。運用非線性有限元軟件,較為準確的模擬了全炮結構后坐復進過程,得到了炮口部位位移和速度的動態響應并獲得了發射過程中關鍵部位的動態剛強度,并對搖架進行了模態分析。為減小炮口擾動,對搖架頸筒進行優化,在結構質量沒有大幅增加的情況下,提高結構的一階固有頻率并且改善應力分布情況。對優化后的結構進行分析,驗證了優化方法的有效性。

1 結構優化的基本理論:

結構優化設計是用系統的、目標定向的過程與方法代替傳統設計,其目的在于尋求既經濟又適用的結構形式,以最少的材料、最低的造價實現結構的最佳性能。結構優化分為三個層次:拓撲優化、形狀優化和尺寸優化,其中拓撲優化的應用更加廣泛,效果也更加明顯。拓撲優化將優化結構的拓撲轉化為尋求材料的合理分布,達到使用最少的材料獲取最優的力學性能。拓撲優化的主要方法有:均勻化方法、變厚度法、變密度法、漸進結構優化方法(ESO)、水平集法(Level set)、獨立連續映射方法(ICM)等。在HyperWorks軟件中,拓撲優化使用的方法是變密度法,將設計區域的單元密度設置為設計變量,通過多次迭代,尋求最優單元密度。

2 艦炮結構動力學分析

2.1 有限元模型的建立

首先使用三維軟件建立簡化的艦炮模型。該模型只保留對艦炮系統質量特性、力學特性影響顯著的部件。將簡化好的模型以在ABAQUS中劃分網格。針對結構特點,將重點關注的搖架和身管劃分為非協調實體單元(C3D8I),對托架和回轉臺劃分減縮殼單元(S3R)。最終網格劃分情況如圖1所示。

圖1 全炮網格劃分

全炮所有部件所用材料均為鋼,彈性模量取210 000,泊松比取0.3。根據實際情況定義各類載荷和邊界條件,按靜平衡、后坐、復進過程定義分析步。

2.2 結果分析

讀取分析結構,提取了炮口位置沿炮膛軸線方向的位移和速度曲線,如圖2、圖3所示。將結果中的后坐長、最大后坐速度和整體的曲線形狀與理論計算數據進行對比,表明模擬誤差在5%以內,較好的模擬了該炮發射的全過程。

圖2 U1位移曲線

圖3 V1速度曲線

射擊精度是艦炮設計中重要的指標。彈丸出炮口時,由于炮口振動帶給彈丸偏離正確彈道的加速度和速度是影響火炮射擊精度的重要原因。炮口振動不可避免,但可以通過對結構的深入研究,得到合理的減小振動的方案。炮口振動可以通過炮口位移、速度和加速度確定,這里選擇位移作為炮口振動大小的評價標準。圖4、圖5分別顯示了炮口區域在U2,U3方向上的位移曲線,從兩條曲線中可以看出U2方向的振動幅度是U3方向振動幅度的3倍左右。

圖4 U2位移曲線

圖5 U3位移曲線

根據以往經驗和火炮結構的特點,考慮通過優化搖架頸筒結構達到減小炮口擾動的目的。在計算結果中讀取具有代表性的頸筒應力圖,如圖6所示。搖架的一階模態如圖7所示,該圖為在HyperWorks中進行模態分析的結果截圖。

圖6 頸筒應力圖

圖7 搖架1階模態

從圖6中可以看出,頸筒的應力分布主要呈現以下特點:1)頸筒前半部分的應力約為后半部分的1/4;2)頸筒后半部分應力較大的部位呈現上下對稱、左右對稱的形式。從圖7可知,搖架頸筒是產生一階模態的位置。根據頸筒的這種受力和模態特點,可以對頸筒開展更加深入的優化研究,通過優化使材料合理分布,并且提高一階固有頻率,達到和減小炮口振動的目的。

3 艦炮結構優化:

對優化三要素設置如下:優化目標為1階固有頻率最大;約束條件為體積分數不超過5%;設計變量為頸筒壁厚,在OptiStruct中設置壁厚變化范圍為15 mm~38.5 mm。進行完優化過程后,在HyperView中查看優化分析結果,如圖8所示。結果改進方案如圖9所示。

圖8 優化分析結果

圖9 結構改進方案

使用修改后的模型進行全炮有限元分析,獲取炮口U2方向結果,如圖10所示。對比圖4,可知炮口在該方向的振動位移有了大幅減小。

4 結論

本文實現了某艦炮后坐部分大位移的發射過程動力學模擬仿真,獲得了炮口后坐復進位移和速度動態響應以及頸筒的典型應力分布、模態振型等。為減小炮口擾動,對搖架頸筒進行優化,得到了優化結構,對優化結構的計算驗證了優化的有效性。

圖10 U2位移曲線

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