车载导弹发射架结构有限元分析与拓扑优化设计

发射架是车载发射装置的关键承力构件之一，其结构刚度和固有频率等静动力学特性对导弹发射精度具有重要影响。以某车载导弹发射架为研究对象，通过多种行军过载和载弹工况的有限元建模与分析对比，研究发射架的受载特点，提出导弹装填、卸载和发射作业序列规划的一般指导原则。进而对发射架结构进行多工况条件下的拓扑优化，讨论挤压约束、最小和最大尺寸约束对拓扑优化结果的影响。根据拓扑优化构型对发射架进行重构设计，对优化设计进行有限元校核分析。分析结果表明，与原有设计相比，拓扑优化设计后的发射架结构减重超过10%,且几乎所有考虑工况下的刚强度均得到改善，刚度最大增幅达到21.47%,等效应力最大降幅达到31.97%;前6阶固有频率提升超过12%,对于减小发射扰动具有重要意义。     

超高射频串联发射弹组有限元分析

弹丸结构设计及其强度分析是超高射频串联发射核心技术之一.在分析超高射频串联发射整体结构的基础上,设计了弹丸结构,利用ABQUS软件建立了两发串联弹组的有限元分析模型.通过仿真得出了发射过程中两发串联弹组在最大膛压作用下的轴向形变及等效应力分布情况,分析了弹丸前端锥度和圆台大小对支撑部分受力的影响.该有限元分析的结论可为减小弹前阻力,优化弹丸结构及选取弹丸材料提供理论依据.     

磁悬浮微框架球形飞轮及其转子优化设计研究

为了克服现有外转子方案因螺钉连接而增加转子系统不平衡量的缺点,提出一种内转子结构磁阻力-洛伦兹力混合力构型的磁悬浮微框架球形飞轮。介绍了飞轮结构和工作原理,分析了转子系统控制模型。研究结果表明,当转子质心、球心和检测中心重合时,可消除平动悬浮对径向偏转控制的干扰,简化控制器设计。在考虑转子最大等效应力、1阶共振频率、极地与赤道转动惯量比和极转动惯量的基础上,增加转子最大变形量和质心与球心偏差两个约束变量,并筛选高灵敏度参数作为优化设计变量,以转子质量最小为优化目标,对其进行多学科优化设计。优化结果表明：在满足设计要求的前提下,转子质量由5.600 kg减小为5.389 kg,减小了3.8%;此优化设计方法提高了飞轮转子设计效率,利于系统实现高控制力矩精度。     

某轮式自行火炮的平衡轴支架优化设计

为提高轮式自行火炮工作性能和安全系数,针对轮式自行火炮的工况特性,对平衡轴支架进行优化设计.建立轮式自行火炮平衡轴支架的有限元模型,依据平衡轴支架的结构受力特性及技术设计要求,利用ANSYS Workbench中的Design Exploration对其进行优化设计,在满足强度的条件下对支架进行减重优化.优化后的支架质量为45.018 kg,最大等效应力为601.35 MPa,与原支架相比最大等效应力增加并且质量减小20.87%,减重效果显著,降低了生产成本,产生了明显的经济效益.     

基于自适应神经网络的火炮身管结构优化研究

针对火炮多学科优化设计存在计算量大、收敛慢和易陷入局部最优的问题,提出一种基于自适应径向基函数（RBF）神经网络的结构优化方法。编程计算火炮高低温压力曲线,并对ABAQUS有限元软件二次开发将其加载进有限元模型以获取身管的优化目标值,构建其与设计变量间自适应RBF神经网络模型。引入罚函数法处理约束条件,采用遗传算法在模型中求解寻优。每次优化迭代时利用建立的局部和全局分析模型分别选取更新点,增加样本点来更新神经网络,以提高神经网络的局部和全局预测能力。采用典型函数算例和某火炮身管结构多目标优化,实例验证了所提出优化策略的有效性。研究结果表明：身管优化后质量减小了6.63%,结构刚度提高了5.60%,最大等效应力减小了6.34%;与仅使用遗传算法相比,该方法所需的有限元模型调用次数降低了86.5%,运行时间减少了83.3%,为火炮结构设计和优化提供了参考。     

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。     

火箭炮底架多目标优化设计

针对某型火箭炮底架超重的问题,通过拓扑优化和多目标尺寸优化实现了底架的结构优化。基于多工况拓扑优化,寻找出在设计空间中最佳的材料布局。以关键零件厚度作为设计变量,采用哈默斯雷实验设计生成样本数据,使用径向基函数(RBF)神经网络模型建立底架质量、一阶模态频率、比刚度结构效能的代理模型。采用多目标遗传算法(MOGA)和序列二次规划法(SQP)的组合算法优化策略进行优化求解。结果表明,优化后底架质量减小15.2%,比刚度结构效能和一阶固有频率均得到改善,实现了底架轻量化目标。     

基于iSIGHT卷弧尾翼结构优化设计研究

为使火箭弹卷弧尾翼在特定气动载荷下的结构质量最小,对其进行结构优化设计.在优化中以结构质量最小为目标,以包括尾翼弦长、厚度、前缘后掠角等几何参数为设计变量,强度和变形量为约束,通过集成iSIGHT和MSC.PATRAN/NASTRAN对卷弧尾翼结构进行优化设计,取得了较好的结果,减重效果明显.随后对优化结果进行分析,得到了对优化目标和约束影响较大的设计变量分别是:卷弧的圆心角和翼片厚度.     

某大口径火炮身管膛线结构优化设计

以某大口径火炮为研究对象,运用有限元仿真技术,通过Python语言对弹炮耦合有限元模型进行二次开发,建立弹炮耦合参数化有限元模型。在弹炮耦合参数化有限元模型的基础上,以膛线结构参数为设计变量,以炮口扰动和导转侧受力最小为优化目标构建目标函数,借助最优拉丁超立方试验设计建立样本空间,构造响应面多项式函数近似模型,利用NSGA-Ⅱ型遗传算法对膛线结构进行多目标优化,通过对比分析对优化结果进行验证。优化结果表明,优化后的膛线结构使导转侧受力和弹丸起始扰动分别减小了25.8%和28.8%.     

某特殊结构枪弹气动外形与结构参数优化设计

针对枪弹弹头在稳定性、风偏敏感性以及穿甲能力条件下的外弹道设计问题,提出了一种气动外形与结构参数的优化设计方法。以类似美国M855枪弹的弹头结构为研究对象,将其分为铜质壳体、铅心及钢心3部分,以3种材质体积占比及弹头气动外形参数为优化设计变量,以横风风偏敏感性最小和穿甲厚度最大为优化目标,考虑外形参数、结构参数和稳定性等约束,建立了多目标优化设计数学模型,并采用标准粒子群算法获得全局最优解。仿真结果表明：优化后的气动外形和结构参数可确保弹头全弹道上满足动态稳定性要求;与初始方案相比,优化方案的弹头横风风偏敏感因子减小了16.4%,落点动能增大了18.2%,穿甲厚度提高了41.8%;与对比方案相比,优化方案的弹头在气动外形以及速度变化相同的情况下,结构参数的优化使弹丸穿甲能力提高了24.9%,同时获得了更好的稳定性,验证了本文所提优化设计方法的合理性与可行性。本文研究可为枪弹外弹道设计提供一个新的思路。     

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%。     

低雷诺数翼型的优化设计

发展了Hicks-Henne设计的翼型扰动函数,并对翼型优化过程中的多参数多目标优化函数进行了探讨。采用遗传算法作为优化算法,在低雷诺数条件下,将SA7035翼型作为优化算例。结果显示：在攻角2°～8°的范围内,翼型的效率因子能够在俯仰力矩系数变化较小的情况下获得很大提高,达到了多目标优化的目的;同时翼型的最大升阻比和最大效率因子均有较大提高,分别为14.5%和15.2%,且最大效率因子对应的攻角略有提前。提出的翼型优化设计思路可为低雷诺数翼型的设计提供参考。     

舰炮身管的抗振性能优化研究

以舰炮连续射击时的射击精度为背景,针对舰炮身管抗振性能优化问题进行了研究。基于舰炮身管的实际模型,建立了3段梁结构简化模型,进而建立并推导了舰炮身管刚度优化数学模型。通过灵敏度分析方法,得到了舰炮身管刚度与质量的灵敏度分析图谱,从而确定了优化参数。利用ANSYS软件平台完成了舰炮身管抗振性能的多目标优化,得到了舰炮身管优化的最优解。将优化后舰炮身管模型与实际舰炮身管模型进行对比,对比结果表明:改变舰炮身管的有效设计变量,可使其动态性能得到改善;舰炮身管经过抗振性能优化后,1阶固有频率提高17. 99%,质量降低6. 12%,达到了优化目的。     

基于Pareto遗传算法的无后坐炮内弹道多目标优化设计

针对某中口径无后坐炮研制中的内弹道设计问题,将多目标优化的Pareto遗传算法与无后坐炮经典内弹道数学模型相结合,以最大膛压和初速作为优化设计的目标,对药室容积和发射药药量进行了多目标优化设计,提出了一种基于Pareto遗传算法的无后坐炮内弹道多目标优化方法。优化结果表明:所采用的Pareto遗传算法与内弹道相结合是可行的; 利用Pareto遗传算法,所得数个内弹道目标优化解以Pareto前沿面的形式给出,设计人员可根据需要从中选择无后坐炮内弹道的最优设计方案。     

车辆电控空气悬挂结构优化模型与优化设计方法研究

针对悬挂结构及参数设计不合理导致的刚度曲线不理想、车辆姿态不一、调节困难等问题,在分析车辆电控空气悬挂特性指标、影响因素、约束条件基础上,提出了满足设计要求的电控空气悬挂特性优化设计规则与评价方法。建立多目标的悬挂结构优化目标模型,并对其结构及参数进行优化设计。研究结果表明：基于多目标电控空气悬挂结构优化目标模型、优化规则与评价方法,体现了前期悬挂设计与后期实车行驶的多方面要求;结构优化规则与评价方法科学、可行,适用于摆动缸与固定缸式油气悬挂的结构优化设计与评价。     

鱼雷外形多目标多学科综合优化设计方法研究

提出基于多目标多学科综合设计的鱼雷外形优化设计方法。建立了针对鱼雷外形设计的一体化设计优化模型;给出改进并行子空间优化算法;并针对具体算例进行外形综合优化设计;将所得优化设计结果,与初始外形相比较。比较结果表明：优化后流体动力和声学性能都有较大提高,本文提出的方法具有可行性和适用性。     

帕累托最优在车辆底部防护结构设计中的应用研究

为了提升爆炸冲击环境下车辆的防护性能,针对其底部防护结构设计中大规模计算、强非线性和多优化目标的特点,利用多物质单元与流-固耦合算法仿真车辆的动态响应。通过灵敏度分析,筛选底部结构中钣金件的厚度、几何形状等设计参数,并利用实验设计建立该问题的数学优化模型,结合帕累托最优的多目标遗传算法,得到该优化问题的帕累托解集空间曲面和一个最优设计方案,该方案在不增加结构质量的情况下,能显著提高车辆底部防护性能。