复合材料座钣动态响应分析及结构优化

为研究迫击炮座钣轻量化问题,提出了一种碳纤维复合材料座钣设计方案。采用碳纤维增强树脂基复合材料作为座钣主体,以大变形分散吸收后坐能量; 采用钛合金驻臼和边角承受后坐力,防止局部冲击损坏。基于三维Hashin准则开发了VUMAT材料子程序,模拟复合材料的失效行为。建立了复合材料座钣与土壤耦合的全炮非线性动态有限元模型,通过仿真计算获得了座钣最大应力和最大位移,分析了不同土壤类型对炮口扰动的影响。通过最优拉丁超立方试验设计,建立了座钣5层BP神经网络代理模型和多目标优化模型; 利用BP神经网络与带精英策略的非支配排序遗传算法对座钣进行了多目标优化设计。优化后炮口扰动显著降低,座钣质量比初始设计减少了11.38%。     

迫击炮座钣轻量化设计

针对某迫击炮座钣的轻量化问题,建立了座钣与土壤耦合的有限元模型,采用有限元法、结构优化设计和轻质复合材料铺层优化相结合的方法,进行了迫击炮座钣的轻量化设计。运用拓扑优化方法得到了迫击炮座钣的载荷传递路径,优化钣筋结构,获得了钛合金承力骨架。应用碳纤维增强树脂基复合材料对设计区域进行铺层并优化,确定了复合材料结构的板厚。对改进前后的迫击炮座钣结构进行有限元分析,刚强度对比结果显示,应用钛合金骨架和复合材料铺层的座钣最大应力小于原有结构,能够满足迫击炮座钣的性能要求,整体质量降低了19. 35%。     

基于HyperWorks的某迫击炮座钣结构优化

为了在保证可靠刚度和强度的基础上减轻某迫击炮座钣的质量,对其进行结构优化和轻量化设计。通过HyperWorks有限元软件对迫击炮座钣安装在土壤工况下的刚度和强度进行仿真计算,采用寻找主要受力路径并修改应力集中区域结构的方法,对座钣进行了结构拓扑优化,改进了座钣结构。在此基础上,对座钣的主钣和驻臼进行了尺寸优化,对优化前后的座钣强度、位移和质量进行了对比,结果表明,优化后的座钣不仅减轻了质量,还提高了强度。     

卡车平台嵌入式迫击炮座钣结构优化设计

为提高传统迫击炮的战略机动性和战场多样性,将传统迫击炮座钣与卡车底盘结合,设计一种新的卡车平台嵌入式迫击炮座钣。相比于车载迫击炮,嵌入式迫击炮座钣结构简单,造价低廉,不影响卡车正常载物功能的同时,可实现快速车上发射与地面发射的转换。座钣位于卡车新增横梁上,新增横梁下方与支撑装置连接。采用模块化、参数化的有限元建模方法,建立嵌入式迫击炮座钣和卡车底盘的有限元模型。仿真分析发射载荷作用下不同射向射角时座钣与车架的动态特性,验证设计方案的可行性。为进一步提升轻量化与勤务机动性水平,采用OptiStruct软件对座钣进行拓扑优化。结果表明,优化后的座钣变形量基本不变,重量下降30.2%,应力分布更加均匀,并且各个工况下的最大应力均大幅减少,最大降幅为41.2%。     

某迫击炮座钣力学特性的有限元分析

为研究某迫击炮座钣在密实中硬土上发射过程中的结构强度问题,建立座钣与土壤耦合力学有限元模型。采用静态分析,分别建立2种不同材料座钣置于密实中硬土上的有限元分析模型,并使用ANSYS Workbench对模型进行结构强度和刚度分析,得到不同材料下座钣的应力以及位移的变化规律。仿真结果表明：同种加载方式下,座钣所受的最大应力位置基本一致,选取TC4钛合金材料,座钣所受的最大应力远远小于其屈服极限;其结果对迫击炮座钣轻量化研究具有一定的参考价值。     

某迫击炮座钣力学特性的有限元分析

为研究某迫击炮座钣在密实中硬土上发射过程中的结构强度问题,建立座钣与土壤耦合力学有限元模型.采用静态分析,分别建立2种不同材料座钣置于密实中硬土上的有限元分析模型,并使用ANSYS Workbench对模型进行结构强度和刚度分析,得到不同材料下座钣的应力以及位移的变化规律.仿真结果表明:同种加载方式下,座钣所受的最大应力位置基本一致,选取TC4钛合金材料,座钣所受的最大应力远远小于其屈服极限;其结果对迫击炮座钣轻量化研究具有一定的参考价值.     

某迫击炮座钣拓扑优化设计

新的战场需求对迫击炮轻量化设计提出了要求,根据迫击炮座钣的受力情况,基于Hypermesh-OptiStruct软件平台建立有限元模型,通过对迫击炮座钣的拓扑优化完成改进设计,并利用AWE有限元软件对优化后模型进行刚强度分析,通过分析证明优化方案的合理性;拓扑优化后,座钣质量减少15.6％;该方法对迫击炮改进设计具有一定的参考价值。     

冲击载荷作用下座钣与卵石炮位耦合特性仿真研究

卵石炮位是考核迫击炮作战性能的重要工况之一,卵石颗粒是一种离散介质,具有连续性特点的有限元网格模拟冲击载荷作用下卵石的运动具有很大的难度。基于有限元与离散元(FEM-DEM)耦合的方法,提出了一种迫击炮在卵石炮位射击的数值模拟方法。建立了具有连续介质特性的迫击炮全炮有限元模型及具有离散介质特性的卵石离散元模型,实现两者的有限元-离散元耦合建模;对整体模型进行重力作用下的密实计算;研究了相同冲击载荷工况下座钣在不同颗粒直径卵石炮位的动态特性,仿真结果与测试值吻合较好。研究表明：在冲击载荷作用下,座钣在卵石炮位上会经历后坐、复进和反跳3个过程,座钣后方的表层卵石颗粒会在座钣的撞击下向后上方飞溅;座钣后侧面筋板受力状况比较恶劣,且随卵石颗粒直径的增大,受力数值和分散程度增大,座钣位移也随卵石颗粒直径的增大而增大。该研究为迫击炮在卵石阵地上发射时座钣的动态特性计算和座钣结构优化设计提供了重要的理论参考价值。     

迫击炮发射载荷缓冲技术研究

随着对武器威力与机动性需求的提高,迫击炮也在向着轻量化发展。近年来,通过采用轻型合金材料和复合材料已经可以有效地减小迫击炮炮身和座钣的质量。然而,进一步降低迫击炮质量则受制于迫击炮发射时的冲击载荷。故从减小作用到座钣的发射载荷出发,设计了一种适用于迫击炮的小行程弹性胶泥缓冲器,并建立迫击炮发射动力学模型,基于 Matlab对后坐运动进行了分析计算,对缓冲器的流液孔面积、后坐长度、后坐力等进行了分析,确定了缓冲器的结构参数。计算结果表明,笔者设计的缓冲器在不显著增加迫击炮结构尺寸的情况下能够有效降低迫击炮的后坐力。     

迫击炮座钣－土壤耦合发射动力学分析研究

为研究某型迫击炮座钣在密实中硬土上发射过程中的结构强度问题,基于非线性有限元理论,建立了该迫击炮座钣与土壤耦合力学有限元模型,该模型考虑了土体本构模型、结构－土壤接触非线性关系;以静力学分析和动力学分析,得到座钣的应力分布规律以及座钣关键部位的动应力变化曲线;通过对比表明：相同条件下的两种加载方式,座钣的最大应力的位置基本一致,静力学分析的结果比动力学分析的结果大9％左右。计算与对比结果为对迫击炮座钣结构进一步优化提供参考依据。     

某运发箱定向器多目标优化设计研究

为实现空投储运发射箱轻量化、保证空投安全性,对定向器进行多目标优化设计。在有限元参数化模型基础上,结合Isight优化平台建立运发箱定向器冲击动力学多目标优化框架;以复合材料定向器铺层厚度、角度为输入变量,定向器质量、最大位移、药柱最大应力为输出变量,采用最优拉丁超立方设计和径向基神经网络方法建立数学近似模型;采用非劣排序遗传算法及模糊集合理论,得到多目标优化模型的Pareto解集及选优方案,并与原方案进行了对比。结果表明:优化方案实现了储运发射箱的轻量化设计,并提高了空投安全性。     

炮塔托架体结构拓扑优化

为满足炮塔托架体轻量化设计要求,基于密度插值的拓扑优化方法,建立了托架体拓扑优化模型,获得了5种典型射击工况下满足结构刚度要求且质量最小的炮塔托架体的最佳拓扑形式,在此基础上建立了托架体模型,对比分析了优化前后托架体在典型工况下的结构响应.仿真结果表明,该方法对于改进传统的托架体设计方法,降低结构质量,提高炮塔的机动性具有重要意义.     

迫击炮弹丸与身管配合间隙优化设计

针对迫击炮弹丸出炮口时的尾翼颈部折断问题,考虑弹丸前定心部与膛壁的摩擦,建立了迫击炮弹丸与身管耦合系统的有限元模型,对弹丸膛内运动过程进行了仿真计算,得到弹丸起始扰动,以出炮口时刻弹丸起始扰动的位移、角位移和角速度构建优化目标函数,以弹丸与身管配合间隙为设计变量,基于Isight软件提供的多目标优化方法对弹丸起始扰动进行优化设计,得出了相对最优配合间隙值。结果表明,迫击炮弹丸与身管配合间隙对弹丸起始扰动影响显著,优化后出炮口时刻弹丸质心位移、角位移和角速度均明显减小,该结果对迫击炮弹丸与身管的匹配设计具有一定参考价值。     

基于组合优化方法的某型车载炮驾驶室轻量化分析

为了提高某型车载炮机动性,对车载炮驾驶室进行轻量化研究。为防止单一工况约束得到的尺寸优化结果在其他危险工况下不适用,同时使用冲击波最危险的两种工况的结构响应作为约束条件。为提高优化效率,使用拉丁超立方方法进行实验设计,分别对两种工况下驾驶室结构响应构建高精度代理模型。针对单一优化算法的缺点,采用组合优化方法,先使用多岛遗传算法缩小设计域范围,后使用非线性二次规划算法在缩小后的设计域寻优。结果表明,设计域缩小后,非线性二次规划算法不再陷入局部最优困境,且组合优化方法相比多岛遗传算法,计算代价大大降低。对优化结果进行验证,证明了优化的可行性。优化后驾驶室质量降低了8.06%,减重效果显著。     

某型遥控武器站架座有限元分析

利用有限元分析软件ANSYS11．0对武器架座进行有限元分析,获得其在武器射击栽荷下的应力和应变值,分析得出武器架座的整体强度满足要求,耳轴等局部需改进消除应力集中。对架座进行模态分析,提取前6阶模态,分析武器架座的刚度满足条件。研究托架和摇架对武器射击精度和射击稳定性的不同影响。尝试对武器架座进行形状优化,为武器站系统轻量化提供参考。     

追击炮炮箍位置优化设计

针对迫击炮炮口扰动问题,通过建立某120 mm迫击炮结构动力学模型,采用有限元法、层次分析法、Kriging模型和遗传算法相结合的方法,进行了迫击炮结构动力学优化.以试验数据为训练样本,建立了基于迫击炮炮箍位置与炮口扰动之间的非线性映射关系.通过构建优化目标函数,利用遗传算法对目标函数进行求解,实现了迫击炮炮口扰动量最小值的优化.研究表明,在多工况下优化后的追击炮炮箍位置,有效减少了炮口扰动,对于研究追击炮炮口扰动问题具有一定的参考意义.     

基于Lanczos模态分析及密集度分析的发射装置轻量化研究

针对某型号多管火箭发射装置轻量化设计,采用有限元法建立其刚柔耦合动力学模型,对轻量化前后的模态响应特性及其火箭弹发射密集度进行对比分析,验证了此轻量化设计的可行性。首先,对Lanczos迭代法在经典的特征值问题中进行了推导求解; 其次,建立了某复合材料定向管的有限元模型,计算结果与此定向管样机模态试验结果进行对比分析,结果表明基于Lanczos迭代法的有限元模型求解模态是正确的; 最后,根据轻量化设计要求,建立了2种材料火箭炮发射装置的整车有限元模型,采用Lanczos迭代法计算其模态特性,根据模态特性选择合理的射击间隔,并通过对比轻量化前后此发射装置火箭弹的射击密集度,验证了此轻量化设计的可行性。     

基于响应面法的某火箭炮结构参数优化

为提高火箭炮的射击密集度和射击稳定性,对基于响应面法的某火箭炮结构参数进行优化。引入响应面法,建立以弹管间隙、发射时间间隔以及闭锁力为设计参数,高低、水平方向的中间偏差为多重响应目标的响应面近似模型。模拟设计参数与响应目标强非线性关系,对近似模型进行回归检验,确定近似模型的可行性。利用建立的近似模型结合满意度函数法优化高低、水平方向的中间偏差,使其综合最优。结果表明：该方法能大大缩短仿真优化时间,且误差非常小,能达到提高射击密集度的目的。     

基于响应面法的某火箭炮结构参数优化

为提高火箭炮的射击密集度和射击稳定性，对基于响应面法的某火箭炮结构参数进行优化。引入响应面法，建立以弹管间隙、发射时间间隔以及闭锁力为设计参数，高低、水平方向的中间偏差为多重响应目标的响应面近似模型。模拟设计参数与响应目标强非线性关系，对近似模型进行回归检验，确定近似模型的可行性。利用建立的近似模型结合满意度函数法优化高低、水平方向的中间偏差，使其综合最优。结果表明，该方法能大大缩短仿真优化时间，且误差非常小，能达到提高射击密集度的目的。     

车载炮发射动力学仿真与试验方法研究

车载炮在不同工况条件下发射时,由于其自身结构中各零部件间的弹性和接触土壤的弹塑性作用,在主动力等的作用驱动下,产生十分复杂的运动变化,从而影响车载炮的射击稳定性.通过分析车载炮的拓扑结构,在一定假设的基础上,利用速度矩阵法建立了动力学仿真模型.运用该方法对车载炮发射时车体俯仰角、车体纵摇角、座钣跳高、座钣侧移等相关仿真数据和图表进行分析并进行了试验验证,结果表明模型是可行和准确的.该动力学仿真可为车载炮总体设计和试验方法改进提供参考.