艦炮結構動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化

信息技術(shù)李猛,等·艦炮結構動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化艦炮結構動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化李猛!,陳毅2,常久龍(1.南京理工大學(xué),江蘇南京210094;2承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校,河北承德067003.湖北三江航天江河化工科技有限公司,湖北宜昌44420)摘要:使用 ABAQUS有限元軟件,對艦炮進(jìn)行了全炮結構動(dòng)力學(xué)仿真。運用隱式動(dòng)力學(xué)計算方法模擬了艦炮發(fā)射的后坐復進(jìn)過(guò)程,得到了炮口位置的速度和位移曲線(xiàn)。為減小炮口擾動(dòng),使用Ⅳper Works軟件對搖架結構進(jìn)行優(yōu)化,得到了優(yōu)化模型。通過(guò)計算,驗證了優(yōu)化的有效性關(guān)鍵詞: ABAQUS;艦炮; Hyper Works;結構優(yōu)化中圖分類(lèi)號:T303;TP391.9文獻標志碼:B文章編號:l671-5276(2014)06-0116-02Dynamic Simulation and Optimization Calculation of Naval Gun StructureLI Meng", ChEN Yi, CHENG Jiu-lorNanjing University of Science and Technology Nanjing 210094, China2. Chengde Petroleum College Chengde 06700, ChinaHubei Sanjiang Space Rivers Chemical Technology Co, LTD Yichang 444200, ChinaAbstract: Using the finite element software-ABAQUS, the simulation of naval gun is realized. the recoil and recuperation processof the gun is simulated by implicit time integration dynamics method, and the responses of displacement and velocity on the muzzleare obtained. In order to reduce the muzzle vibration, using HyperWorks the cradle structure is optimized and new model is createdIn the end, the effectiveness of the optimization is verified by the calculationKeywords: ABAQUS; naval gun; HyperWorks; structure optimization等。在 Hyper Works軟件中,拓撲優(yōu)化使用的方法是變密0引言度法,將設計區域的單元密度設置為設計變量,通過(guò)多次迭代,尋求最優(yōu)單元密度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?；鹋谑且粋€(gè)非常復雜的非線(xiàn)性動(dòng)力2艦炮結構動(dòng)力學(xué)分析學(xué)系統。運用非線(xiàn)性有限元軟件,較為準確的模擬了全炮結構后坐復進(jìn)過(guò)程,得到了炮口部位位移和速度的動(dòng)態(tài)響應并獲得了發(fā)射過(guò)程中關(guān)鍵部位的動(dòng)態(tài)剛強度,并對搖架2.1有限元模型的建立進(jìn)行了模態(tài)分析。為減小炮口擾動(dòng),對搖架頸筒進(jìn)行優(yōu)首先使用三維軟件建立簡(jiǎn)化的艦炮模型。該模型只化,在結構質(zhì)量沒(méi)有大幅增加的情況下,提高結構的一階保留對艦炮系統質(zhì)量特性、力學(xué)特性影響顯著(zhù)的部件。將固有頻率并且改善應力分布情況。對優(yōu)化后的結構進(jìn)行簡(jiǎn)化好的模型以在 ABAQUS中劃分網(wǎng)格。針對結構特分析,驗證了優(yōu)化方法的有效性點(diǎn),將重點(diǎn)關(guān)注的搖架和身管劃分為非協(xié)調實(shí)體單元(C3D8I),對托架和回轉臺劃分減縮殼單元(S3R)。最終1結構優(yōu)化的基本理論網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。結構優(yōu)化設計是用系統的、目標定向的過(guò)程與方法代替傳統設計,其目的在于尋求既經(jīng)濟又適用的結構形式以最少的材料、最低的造價(jià)實(shí)現結構的最佳性能。結構優(yōu)化分為三個(gè)層次:拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化,其中拓撲優(yōu)化的應用更加廣泛,效果也更加明顯。拓撲優(yōu)化將優(yōu)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(yōu)的力學(xué)性能。拓撲優(yōu)化的主要方法有:均勻化方法、變厚度法、變密度法、漸進(jìn)結構優(yōu)化方法(ESO)、水平集法( Level set)、獨立連續映射方法(ICM)TYH史化作者簡(jiǎn)介:李猛(1986-),男,山東泰安人,碩士研究生,研究方向:車(chē)載火箭結構分析及優(yōu)化htp:∥HD.chinajournal.netcnE-mail:zZHD@chainajournal.net.cn《機械制造與自動(dòng)化》信息技術(shù)李猛,等·艦炮結構動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化全炮所有部件所用材料均為鋼,彈性模量取210000泊松比取0.3。根據實(shí)際情況定義各類(lèi)載荷和邊界條件,按靜平衡、后坐、復進(jìn)過(guò)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(xiàn)方向的位移和速度曲線(xiàn),如圖2、圖3所示。將結果中的后坐長(cháng)、最大后坐速度和整體的曲線(xiàn)形狀與理論計算數據進(jìn)行對比,表明模擬誤差在5%以?xún)?較好的模擬了該炮發(fā)射的全過(guò)程。圖5U3位移曲線(xiàn)根據以往經(jīng)驗和火炮結構的特點(diǎn),考慮通過(guò)優(yōu)化搖架頸筒結構達到減小炮口擾動(dòng)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(tài)如圖7所示,該圖為在 Hyper Works中進(jìn)行模態(tài)分析的結圖2U1位移曲線(xiàn)果截圖。圖6頸筒應力圖圖3V速度曲線(xiàn)射擊精度是艦炮設計中重要的指標。彈丸出炮口時(shí),由于炮口振動(dòng)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(dòng)不可避免,但可以通過(guò)對結構的深人研究,得到合理的減小振動(dòng)的方案。炮口振動(dòng)可以通過(guò)炮口位移、速度和加速度確定,這里選擇位移作為炮口振動(dòng)大小的評價(jià)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(xiàn),從兩條曲線(xiàn)中可以看出U2方圖7搖架1階模態(tài)向的振動(dòng)幅度是U3方向振動(dòng)幅度的3倍左右。從圖6中可以看出,頸筒的應力分布主要呈現以下特點(diǎn):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(chēng)、左右對稱(chēng)的形式。從圖7可知,搖架頸筒是產(chǎn)生一階模態(tài)的位置。根據頸筒的這種受力和模態(tài)特點(diǎn),可以對頸筒開(kāi)展更加深入的優(yōu)化研究,通過(guò)優(yōu)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(dòng)的目的3艦炮結構優(yōu)化中國煤化工對優(yōu)化三要素CNMHG有頻率最圖4U2位移曲線(xiàn)大;約束條件為體積分數不超迂5%;計變量為頸筒壁(下轉第125頁(yè)Machine Building a Automation, Dec 2014, 43(6): 116-117, 125信息技術(shù)曹霞,等·拖拉機變速箱體鉆螺紋底孔夾具有限元分析AN寬,當外載荷頻率為135.38、178.36、205.04、215.05和360.75Hz時(shí),夾具才發(fā)生共振現象,在零件加工工藝設計時(shí)應避開(kāi)上述頻率參考文獻[Il]盧秉桓機械制造技術(shù)基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社2005,107-109[2]焦小明,孫慶群機械加工技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社2005,177圖13整體第五階振型云圖[3]洪如瑾 UGNXCAD快速入門(mén)指導[M].北京:清華大學(xué)出版4]尹飛鴻有限元法基本原理及應用[M].北京:高等教育出版4結語(yǔ)社,2010[5]文國治,李正良結構分析中的有限元法[M].武漢:武漢理對拖拉機變速箱體鉆螺紋底孔夾具進(jìn)行了靜態(tài)和模工大學(xué)出版社,2010.態(tài)分析,得到了電磁屏蔽門(mén)懸掛軌道變形、應力和固有頻61張朝輝 ANSYS0結構分析工程應用實(shí)例解析[M.北京機械工業(yè)出版,2008率。從有限元模態(tài)分析結果發(fā)現,總變形為0.087728mm,滿(mǎn)足精度要求。該結構的固有頻率范圍較收稿日期:2013-11-19AAAAAAAAAAAAAAMAAAAAAAAAAAAAAA(上接第117頁(yè)算驗證了優(yōu)化的有效性。厚,在 OptiStruct中設置壁厚變化范圍為15mm~38.5mm。進(jìn)行完優(yōu)化過(guò)程后,在 Hyper View中查看優(yōu)化分析結果如圖8所示。結果改進(jìn)方案如圖9所示圖8優(yōu)化分析結果04圖10U2位移曲線(xiàn)參考文獻[1]楚志遠,楊國來(lái),陳運生.自行火炮非線(xiàn)性有限元動(dòng)力學(xué)仿真方法研究[冂].兵工學(xué)報,2001,22(2)圖9結構改進(jìn)方案[2]楚志遠,楊國來(lái),陳運生,模擬火炮后坐運動(dòng)的非線(xiàn)性彈簧阻尼單元[J.應用力學(xué)學(xué)報,2001,18(3):121-124使用修改后的模型進(jìn)行全炮有限元分析,獲取炮口[3]張文元,費紅姿連尉安,等. ABAQUS動(dòng)力學(xué)有限元分析指U2方向結果,如圖10所示。對比圖4,可知炮口在該方向南[M].香港:中國圖書(shū)出版社,2005的振動(dòng)位移有了大幅減小[4]王鈺棟. HyperMesh& Hyper View應用技巧與高級實(shí)例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.結論[5]宏清泉. Optistruct& HyperStudy理論基礎與高級實(shí)例[M].北京:機械工業(yè)出本文實(shí)現了某艦炮后坐部分大位移的發(fā)射過(guò)程動(dòng)力[6]張勝蘭,鄭冬黎,中國煤化工設計技術(shù)學(xué)模擬仿真,獲得了炮口后坐復進(jìn)位移和速度動(dòng)態(tài)響應以[M].北京:機械CNMHG及頸筒的典型應力分布、模態(tài)振型等。為減小炮口擾動(dòng)對搖架頸筒進(jìn)行優(yōu)化,得到了優(yōu)化結構,對優(yōu)化結構的計收稿日期:2013-08-21Machine Building a Automation, Dec 2014, 43(6): 122-125