基于SolidWorks的某艦載轉臺支架結構優化設計

楊軼，劉詩林，唐繼明

（長沙金信諾防務技術有限公司，湖南 長沙 410000）

某艦載轉臺是調轉其承載的武器發射裝置到指定角度進行射擊的設備，可進行方位和俯仰方向上的轉動。支架是承受武器發射載荷的關鍵受力結構件，其力學特性的優劣直接影響武器系統性能和精度。同時驅動支架進行方位轉動的電機為滿足空間要求一般驅動負載能力有限，因此在支架滿足一定剛度和強度要求下，需要盡可能減輕結構重量，減小其轉動慣量，所以對支架結構進行優化設計是十分必要的。

SolidWorks 是現如今應用較為廣泛的三維軟件之一，可以完成零件部件和產品設計的三維建模并且可以對其進行分析的軟件，能夠很大的提高模型設計的水平和效率。

1 支架有限元分析

1.1 有限元模型

轉臺承載武器發射裝置的載荷通過搖架的耳軸傳遞給支架，支架采用U 型結構。運用Solidworks 軟件建立支架的三維模型。支架的材料為2014-T4，密度為7800kg/m3；彈性模量為7.24e10Pa；泊松比為0.33，許用應力65MPa。本文對模型網格劃分采用Solidworks 軟件中Simulation 模塊的標準網格，劃分結果如圖1 所示。

圖1 支架有限元網格

1.2 載荷及約束

此轉臺俯仰射角范圍為-15°～+45°，-15°、0°和45°時工況是3 個具有代表性的典型工況。支架主要承武器射擊時后坐力作用，取最大后坐力2000N 為有限元模型載荷。其次支架承受武器發射裝置的傳遞過來的重力500N，另外還受自身重力作用。位移約束則施加在支架與驅動電機軸的連接面上,如圖2。

1.3 支架靜力分析

通過運行算例得支架分別在-15°、0°和45°射角時的最大應力和最大位移，結果分析見表1。

圖2 俯仰射角0 射擊工況載荷約束施加圖

表1 支架靜力分析結果

由分析可知，支架在0°射角時的最大應力為14MPa 遠小于材料的許用應力65MPa。由于支架耳軸處通常安裝軸承，為避免因變形大，出現軸承咬死，一般變形要小于0.5mm。結構變形最大值為0.124mm，發生支架頂部，支架耳軸處變形最大值為0.112mm，如圖3 所示。由此可見，先前設計較保守，支架結構優化有相當大的空間。

圖3 俯仰射角0 射擊應力和位移云圖

1.4 支架模態分析

結構模態分析可以獲取結構件的固有頻率和振型，從而使結構設計避免共振或者以特定的頻率進行振動。故對支架的有限元模型求解共擴展了6 階模態并提取前6 階固有頻率值如表2 所示。

表2 支架模態分析結果

機械系統一般要求自由振動固有頻率必須高于最高工作頻率的5～8 倍，由于本轉臺支架用于搭載武器發射裝置，其工作頻率較低，因此所轉臺支架一階最小固有頻率不能低于80Hz。由圖4 可知轉臺支架的第一階固有頻率為239.21Hz，遠大于最小固有頻率要求，工作時結構本身不會發生共振，可以滿足使用要求的，同時支架結構存在優化的空間。

2 支架結構優化

由上文分析可知支架結構設計比較保守，在保證強度和剛度的基礎上，對其結構進行輕量優化設計，這樣既能夠降低所需電機驅動力，還可以節省材料。優化設計的原則是首先確定重量最小為目標函數，通過改變模型重要板的厚度或者長度來求出支架模型重量最小化。

而SolidWorks 軟件自身帶有仿真優化功能，采用多維約束最優化的方法進行優化分析，通過強大的迭代計算功能計算出最適合的目標函數。本文利用SolidWorks 在對模型進行仿真分析后，選取桿優化的目標函數為支架的質量最小化。選取耳軸板厚度、上側板厚度、下側板厚度、底板厚度為設計變量。選取強度和剛度為約束條件，各約束條件值為：von Mise 應力值小于65MPa，合位移值小于0.25mm，頻率小于80Hz。經過如圖5 示的迭代優化之后，得到支架重量的最優解，優化前后相關數據對比如表3 所示。

表3 支架優化前后數據對比

圖4 一階模態振型云圖

由表3 知，結支架重由先前的25.39kg 降到了15.41kg,減輕了39.3%。通過優化前后的數據比較，可知支架適當減輕重量，強度和剛度都滿足設計要求，結構本身也不會發生共振，產品性能可靠。

3 結語

(1)利用Solidworks 軟件對支架進行建模，并對支架進行靜力學及模態分析，設計滿足強度和剛度的要求，工作時不會共振。同時也發現支架設計比較保守。

(2)在有限元分析的基礎上，在保證支架強度和剛度的同時，通過SolidWorks 的優化功能對支架進行優化，使結構更趨于合理，整體質量減輕了39.3%。

(3)通過SolidWorks 軟件對支架有限元分析及優化設計，為結構的輕量化設計提供了重要的理論依據，對不斷地產品設計和改進有重要的指導意義。