某型突擊炮托架中支架左支板結構拓撲優化設計

張小石，王憲升，喻 翔

(重慶建設工業(集團)有限責任公司，重慶 400054)

0 引言

經過近百年的發展，國外輪式炮的研發與裝備已具備相當規模，其中以美國的M109A6式155 mm榴彈炮、英國的AS-90式155 mm自行榴彈炮、法國“凱撒”155 mm自行榴彈炮、意大利“帕爾瑪瑞”155 mm自行榴彈炮、瑞典“塔那”152 mm榴彈炮和南非G6155 mm榴彈炮最為典型。其特點是都采用了專門為自行火炮設計的底盤，具有較好的加速性、越野性和空運性等。國內現有的1970式122 mm自行榴彈炮、PLZ83式152 mm自行加榴炮、PLZ85式122自行榴彈炮和W90式203 mm自行榴彈炮已在相當程度上提高了戰斗力，縮小了與外國先進水平的差距[1]。

突擊炮托架中的支架在托架中起支撐搖架和承受突擊炮射擊后坐沖量的作用，為實現武器的輕量化和提高武器機動性，本文對某突擊炮托架中支架左支板結構進行拓撲優化[2]。

1 拓撲前支架左支板結構及仿真分析

拓撲前支架左支板結構如圖1所示。支架左支板材料為40Cr，其性能參數如表1所示。

圖1 拓撲前支架左支板結構

表1 40Cr材料參數

將拓撲前支架左支板三維模型導入ANSYS中，經賦予40Cr材料參數、生成網格、施加約束、求解計算、后處理得到突擊炮18°射角下拓撲前支架左支板應力云圖和位移云圖，如圖2、圖3所示。不同射角下拓撲前支架左支板最大應力和位移如表2所示。

圖2 突擊炮18°射角下拓撲前支架左支板應力云圖

圖3 突擊炮18°射角下拓撲前支架左支板位移云圖

表2 不同射角下拓撲前支架左支板最大應力和位移

2 支架左支板結構拓撲優化及仿真分析

拓撲優化是指形狀優化，有時也稱為外形優化。拓撲優化的目標是尋找承受單載荷或多載荷物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓撲優化中表現為“最大剛度”設計[3，4]。與傳統優化設計不同的是，拓撲優化不需要給出參數和優化變量的定義。

拓撲優化目標-目標函數是在滿足結構的約束情況下減少結構的變形能。減少結構的變形能相當于提高結構的剛度，這個技術通過使用設計變量給每個有限元的單元賦予內部偽密度來實現。將拓撲優化方法應用到托架體結構設計中，則可以在滿足結構剛度和性能要求的前提下，通過優化確定最初階段結構的最佳拓撲形式，設計出剛度高、重量輕的產品，從而達到減重的目的，提高突擊炮整體的機動性。

取安全系數n=1.2,拓撲前支架左支板材料許用應力[σ]=σs/[n]=800/1.2=667 MPa。從表2可知，σmax=93.4 MPa<[σ]，滿足強度要求；最大位移為0.576 mm，為微小變形，滿足結構剛度要求。拓撲前支架左支板體積為8 245 067.17 mm3、重量為64.312 kg。

定義拓撲優化問題，選擇單元類型、指定要優化和不優化的區域、定義和控制載荷、定義和控制優化過程得到拓撲后計算結果。優化過程只需要給出結構的參數和要省去的材料百分比進行計算迭代。具體定義優化迭代程序如下[5-7]：

Type,1

Vsel,all！選擇需要拓撲優化的單元

Vmesh,all

……！加載3個載荷工況

Tocomp,mcomp,multiple,3 ！執行3次

Tovar,mcomp,obj

Tovar,volume,con,,30 ！定義體積減少30%

Totype,oc

Todef,0.0005！公差為0.0005

/dscale,,off

/contour,,2

Toloop,30,1！最大30次迭代

以密度云圖形式繪制的拓撲結果如圖4所示。其中，淺色部分是可以優化的，黑色部分是不可優化的。

圖4 以密度云圖形式繪制的左支板拓撲結果

對圖4中淺色部分進行減重，拓撲后左支板結構如圖5所示。重新生成網格、施加約束、求解計算、后處理得到突擊炮18°射角下拓撲后支架左支板應力云圖和位移云圖，如圖6、圖7所示。 不同射角下拓撲后支架左支板最大應力和位移如表3所示。

表3 不同射角下拓撲后支架左支板最大應力和位移

從表3可知，拓撲后支架左支板最大應力σmax=93.8 MPa<[σ]，滿足強度要求；最大位移為0.580 mm，均為微小變形，滿足結構剛度要求。拓撲后支架左支板體積為7 725 788.09 mm3、重量為60.260 kg。通過拓撲優化左支板體積減少12.5%、重量減少6.4%。

3 結論

對某突擊炮托架中支架左支板結構進行撲優化設計，定義拓撲優化程序，經過迭代得到了基于密度云圖的拓撲優化結果。拓撲優化后，支架左支板體積減少12.5%、重量減少6.4%仍能滿足強度剛度要求。該方法可應用于類似結構的拓撲優化，對實現武器的輕量化和提高武器機動性有一定的參考價值。