基于HyperWorks的某迫擊炮座鈑結構優化

王鋒鋒,楊國來,葛建立

(南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094)

迫擊炮座鈑是迫擊炮發射時用于支撐的部件,能夠將發射時的巨大后坐力傳遞給土壤。研究表明,迫擊炮的射擊穩定性、射擊精度、射擊密集度等與座鈑的結構形式、剛度、強度等密切相關[1],因此座鈑結構設計及優化得到了國內外眾多研究人員的高度重視。Ristic等[2]利用ProE建立了迫擊炮座鈑的力學模型,對座鈑進行了結構應力、應變分析,并將分析結果與傳統計算結果進行了對比,從而驗證了所建立的力學模型的可靠性。柳云峰[3]采用有限元法,分析了某型號座鈑的應力和變形的分布規律。王鵬翔等[4]利用ANSYS Workbench 建立座鈑與土壤耦合力學有限元模型,通過數值計算獲得幾種材料下座鈑所受應力以及位移的變化情況。張孝明等[5]針對V形筋鈑的圓形窗式座鈑進行靜力學仿真分析,通過OptiStruct對其拓撲優化。王偉等[6]在ANSYS Workbench中建立60 mm迫擊炮座鈑的有限元模型,進行剛強度分析后優化模型結構。然而,結合土壤作用,采用輕量化設計對梯形棱錐結構的迫擊炮座鈑同時進行結構和尺寸優化的研究并不多。

本文在以上研究的基礎上,為了使某迫擊炮座鈑結構更加合理,針對某迫擊炮座鈑強度和輕量化設計需求,在考慮土壤作用的情況下盡可能模擬真實工況,采用HyperWorks對原座鈑進行了剛強度有限元分析,確定了座鈑承受應力的主要路徑[7],并對應力集中區域進行結構優化。在此基礎上進行輕量化設計,采用尺寸優化方法對座鈑主要受力區域的主鈑和駐臼進行了優化,再通過有限元計算,分析對比不同工況下優化前后的座鈑剛強度。

1 原座鈑靜態剛強度分析

1.1 原座鈑結構

圖1為原座鈑結構示意圖。座鈑采用梯形棱錐的對稱性結構,包括主鈑,駐臼,大、小立筋和包筋等[8]。主鈑類似于三角形,座鈑背面對稱地分布有3條大立筋和3條小立筋,立筋的兩側焊有包筋。座鈑在迫擊炮發射時經歷了前沖加速再減速、后坐加速再減速、后坐緩沖和復進,發射瞬間座鈑駐臼受到炮施加的巨大沖擊載荷。

圖1 原座鈑結構示意圖

1.2 原座鈑的有限元靜態剛強度分析

一般來說,就座鈑的結構而言,對射擊穩定性起主要作用的部分包括:筋板形狀、主鈑形狀、駐臼中心位置以及座鈑正投影面積等[2],座鈑的強度是保證迫擊炮可以連續作戰使用的先決條件,應該盡量做到各部分等強度設計,充分發揮座鈑各部分金屬的強度。利用HyperWorks軟件的HyperMesh模塊創建座鈑及接觸土壤的有限元網格模型,如圖2所示。

圖2 原座鈑及接觸土壤的有限元模型

選用的土壤特性參數如表1所示,包括彈性模量E、泊松比μ、密度ρ、摩擦角β、屈服應力比K和膨脹角ψ。

表1 土壤參數

除小立筋采用實體外,其余部件設為板殼單元,接觸部用焊接單元連接。為保證計算時施加的載荷不會集中,在座鈑駐臼中央保留炮尾球部件,并將炮尾球和駐臼設置成Tie接觸,在炮尾球截面上施加最大炮膛合力F,F可換算成最大均布112 MPa的負載。設置3個自由度的約束,邊界條件為對座鈑底部和大、小立筋及包筋的底部與土壤之間施加固定約束,座鈑的最大位移smax、最大應力σmax和結構質量m的計算結果如表2所示。

表2 原座鈑模型靜態剛強度計算結果

圖3為原座鈑有限元分析結果截面圖,強度計算表明較大應力主要在主鈑上的凹入轉折部分A(共有3處),以及駐臼下的整個區域B,而主鈑上的其余部位所受應力相對較小,可以在保留原座鈑結構核心關鍵部件的基礎上改進相應結構。一方面通過結構優化減小較大應力,另一方面通過尺寸優化盡量減小非關鍵結構的質量。

2 座鈑的結構優化

2.1 拓撲優化設計模型

綜上,為了得到改進座鈑結構的基本形式,通過在OptiStruct的結構優化求解器中采用拓撲優化方法,以座鈑質量最小為優化目標,以座鈑整體最大應力為約束,以座鈑結構的單元密度為設計變量,確定最大強度的座鈑材料分布區域。迭代44步后計算收斂,座鈑優化后承受主要應力的路徑如圖4所示。

圖4 座鈑的拓撲優化結果

2.2 拓撲優化改進模型

為了減小座鈑最大應力,在保持座鈑整體輪廓基本不變的基礎上增加了原結構中主鈑A處和駐臼B區域的厚度。同時在預測能保證座鈑整體所受應力不增大的前提下,減小主鈑上其他區域尺寸,達到輕量化設計的目的。圖5為改進結構后的座鈑。定義設計變量,選擇座鈑中所有部件,包括座鈑、駐臼、大立筋、小立筋和包筋,以及用于施加載荷的炮尾球。創建體積分數響應,定義目標函數。載荷分析工況及邊界條件與原座鈑靜態剛度分析的相同,采用變密度法進行拓撲優化。

圖5 座鈑的改進結構

2.3 尺寸優化設計模型

為了得到合理的座鈑結構尺寸,在結構改進的基礎上,采用尺寸優化方法來計算結構的最優尺寸。保持載荷分析工況及邊界不變,建立尺寸優化模型,其目標函數定為結構總質量最小[7]。設計變量包括:錐形盆的整個主板區域、駐臼的厚度尺寸。座鈑中主鈑和駐臼的厚度δ的初始值、下限值和上限值如表3所示。

表3 尺寸優化變量的初始值及上、下限值

2.4 結構的尺寸優化改進

在HyperWorks的尺寸優化求解器OptiStruct中設置設計變量并關聯,創建響應、目標函數及約束[9]。創建的響應既是目標函數,也是約束。啟動運行,進行尺寸優化求解。迭代后收斂得到主鈑和駐臼厚度δ的優化值及取整后的設計值,如表4所示。

表4 尺寸優化的結果

3 優化座鈑及其剛強度計算結果的對比

3.1 優化后的座鈑結構

與原結構相比,優化后的座鈑保留了原座鈑的基本輪廓。為改善應力集中現象,在圖3中的A處增加了加強筋的布置,適當增加了駐臼下方圖3中B區域的厚度。通過輕量化設計,盡可能減小了座鈑主鈑和駐臼的厚度,給出了優化后的厚度設計值。優化后的座鈑結構如圖6所示。

圖6 優化的座鈑結構

3.2 優化前后座鈑剛強度計算結果的對比

建立優化后的座鈑有限元模型,進行多個工況下的靜態剛強度分析,結果表明,各個工況下分析結果改善程度基本一致。以0°方向角、75°射角為例,分析結果如圖7所示。

圖7 優化前后座鈑應力、位移對比

優化前后座鈑剛強度結果如表5所示。座鈑經過結構優化和尺寸優化后,最大位移減小24.3%,最大應力減小12.6%,質量減小4.9%,達到了優化及輕量化設計的目的。

表5 優化前后座鈑剛強度結果對比

4 結論

本文研究結果表明,對于迫擊炮座鈑的結構優化改進,可以采用尋找主要受力區域的結構優化設計方法,在有限元軟件HyperWorks中優化后,結構質量減小的同時最大位移和最大應力有較大降低,該方法在迫擊炮座鈑研究中是可行的。然而,本文主要是針對某一類型的迫擊炮座鈑進行的靜態結構優化研究,后續將進一步開展考慮相關動態因素的研究。