舰炮结构动力学仿真与优化

2014-09-19李猛陈毅常久龙

机械制造与自动化 2014年6期

李猛,陈毅,常久龙

(1.南京理工大学,江苏南京210094;2.承德石油高等专科学校,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:

火炮是战争中不可或缺的一员,以其强大而持久的火力支援能力而闻名。火炮是一个非常复杂的非线性动力学系统。运用非线性有限元软件,较为准确的模拟了全炮结构后坐复进过程,得到了炮口部位位移和速度的动态响应并获得了发射过程中关键部位的动态刚强度,并对摇架进行了模态分析。为减小炮口扰动,对摇架颈筒进行优化,在结构质量没有大幅增加的情况下,提高结构的一阶固有频率并且改善应力分布情况。对优化后的结构进行分析,验证了优化方法的有效性。

1 结构优化的基本理论:

结构优化设计是用系统的、目标定向的过程与方法代替传统设计,其目的在于寻求既经济又适用的结构形式,以最少的材料、最低的造价实现结构的最佳性能。结构优化分为三个层次:拓扑优化、形状优化和尺寸优化,其中拓扑优化的应用更加广泛,效果也更加明显。拓扑优化将优化结构的拓扑转化为寻求材料的合理分布,达到使用最少的材料获取最优的力学性能。拓扑优化的主要方法有:均匀化方法、变厚度法、变密度法、渐进结构优化方法(ESO)、水平集法(Level set)、独立连续映射方法(ICM)等。在HyperWorks软件中,拓扑优化使用的方法是变密度法,将设计区域的单元密度设置为设计变量,通过多次迭代,寻求最优单元密度。

2 舰炮结构动力学分析

2.1 有限元模型的建立

首先使用三维软件建立简化的舰炮模型。该模型只保留对舰炮系统质量特性、力学特性影响显著的部件。将简化好的模型以在ABAQUS中划分网格。针对结构特点,将重点关注的摇架和身管划分为非协调实体单元(C3D8I),对托架和回转台划分减缩壳单元(S3R)。最终网格划分情况如图1所示。

图1 全炮网格划分

全炮所有部件所用材料均为钢,弹性模量取210 000,泊松比取0.3。根据实际情况定义各类载荷和边界条件,按静平衡、后坐、复进过程定义分析步。

2.2 结果分析

读取分析结构,提取了炮口位置沿炮膛轴线方向的位移和速度曲线,如图2、图3所示。将结果中的后坐长、最大后坐速度和整体的曲线形状与理论计算数据进行对比,表明模拟误差在5%以内,较好的模拟了该炮发射的全过程。

图2 U1位移曲线

图3 V1速度曲线

射击精度是舰炮设计中重要的指标。弹丸出炮口时,由于炮口振动带给弹丸偏离正确弹道的加速度和速度是影响火炮射击精度的重要原因。炮口振动不可避免,但可以通过对结构的深入研究,得到合理的减小振动的方案。炮口振动可以通过炮口位移、速度和加速度确定,这里选择位移作为炮口振动大小的评价标准。图4、图5分别显示了炮口区域在U2,U3方向上的位移曲线,从两条曲线中可以看出U2方向的振动幅度是U3方向振动幅度的3倍左右。

图4 U2位移曲线

图5 U3位移曲线

根据以往经验和火炮结构的特点,考虑通过优化摇架颈筒结构达到减小炮口扰动的目的。在计算结果中读取具有代表性的颈筒应力图,如图6所示。摇架的一阶模态如图7所示,该图为在HyperWorks中进行模态分析的结果截图。

图6 颈筒应力图

图7 摇架1阶模态

从图6中可以看出,颈筒的应力分布主要呈现以下特点:1)颈筒前半部分的应力约为后半部分的1/4;2)颈筒后半部分应力较大的部位呈现上下对称、左右对称的形式。从图7可知,摇架颈筒是产生一阶模态的位置。根据颈筒的这种受力和模态特点,可以对颈筒开展更加深入的优化研究,通过优化使材料合理分布,并且提高一阶固有频率,达到和减小炮口振动的目的。