某迫击炮座钣拓扑优化设计

张孝明，刘树华，彭克侠,刘幸国

(1.中北大学，太原　030051； 2.安阳出入境检验检疫局，河南 安阳　455000)



某迫击炮座钣拓扑优化设计

张孝明1，刘树华1，彭克侠1,刘幸国2

(1.中北大学，太原030051； 2.安阳出入境检验检疫局，河南 安阳455000)

摘要: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。

关键词：迫击炮；座钣；拓扑优化；刚强度分析

迫击炮自问世以来一直是支援和伴随步兵作战的一种有效的压制兵器，是步兵极为重要的常规兵器，具有结构简单、机动性良好的特点。为使迫击炮更加适应现代战场，减少炮组成员的武器携带质量，提高作战效率和机动性，我们以某型迫击炮座钣为研究对象，依据迫击炮发射时的结构受力特性和技术设计要求，对迫击炮座钣进行拓扑优化设计。优化设计能够提高迫击炮座钣的结构性能，满足结构的轻量化设计要求，降低研发成本和减少研发周期，在生产过程中已经成为至关重要的一部分。

以某型号迫击炮座钣结构为优化对象，依据迫击炮射击时座钣结构受力情况，在满足刚强度要求的情况下，以减轻其质量为目标，运用拓扑优化方法寻求多射角工况下座钣的最佳材料分布，对座钣的结构进行轻量化设计。

1原座钣刚强度分析

1.1材料的选择

迫击炮座钣使用的材料为铝合金材料，其材料密度为2.7×103kg/m3,弹性模量为70 MPa，泊松比为0.3，许用应力为450 MPa。

1.1迫击炮座钣的受力分析

如图1所示忽略身管、炮尾的重力，迫击炮座钣在发射过程中主要承受以下作用力：Fpt为炮膛合力；Fgc为后坐部分(除座钣)的惯性力；Fgb为座钣的惯性力；FT1，FT2土壤的作用力。

图1　迫击炮座钣的受力特性

在静力学分析中，通常考察最大后坐力静载下座钣的结构刚强度。假设迫击炮后坐部分质心在身管轴线上，忽略座钣的惯性力，则后坐力F=Fpt+Fgc。

1.2原座钣模型的建立与静力学仿真分析

原座钣是V型筋钣的圆形窗式座钣，划分网格与施加约束如图2所示。

图2　原迫击炮座钣有限元模型

将原迫击炮座钣模型导入AWE软件中，在炮尾处施加膛底最大压力34.95 MPa，边界条件为在迫击炮驻锄底部施加固定约束。

迫击炮在射击时座钣通常有两种放置方式，一种是构筑工事，将座钣置入构筑好的土壤工事中；另一种是将迫击炮放置在硬质土壤上，如水泥地等，射击时允许的射角为70°至85°，小于70°时座钣有滑倒的可能。由于土壤通常对座钣有缓冲作用，第1种情况下射击时，迫击炮座钣的应力、应变均要小于第2种情况。因而在对迫击炮座钣轻量化设计中，研究最恶劣的情况，即在硬质地面水平放置射击。因此，利用AWE软件只分析计算迫击炮座钣在75°和85°两种射角、0°和60°两种方向角共4种工况下的刚强度，如表1所示。其中0°时，射角后支点为一个驻锄；60°射角时，后支点为两个驻锄。

从迫击炮座钣的刚强度分析中可以看出：迫击炮座钣的最大应力和最大位移均出现在高低角75°、方向角0°的情况下，且最大位移为1.996 4 mm，最大应力为 424.51 MPa；4种工况下的原迫击炮座钣的最大应力均分布于迫击炮座钣底部驻锄处，而在迫击炮座钣的上表面的应力分布均较小；从4种工况中可以看出，迫击炮座钣整体的刚度和强度有优化的富余量，可以进行拓扑优化。

表1原迫击炮座钣刚强度分析结果

高低角方向角最大位移/mm最大应力/MPa75°0°1.9964424.5160°1.8552340.385°0°1.4062391.760°0.89436424.23

2座钣的优化设计

2.1数学模型

OptiStruct软件的拓扑优化技术包含了设计变量、约束条件以及目标函数3个要素， 引入朗格朗日乘子：

朗格朗日方程最小化条件：

其中f(X)是设计目标，如各种力学性能或者重量；g(X)是需要进行约束的响应，如对物体工作时的变形和应力水平进行约束[4]。

2.2拓扑优化模型

去除不重要的部分，通过三维画图软件UG建立座钣模型，并导入到Hypermesh软件中，进行网格划分，建立的有限元模型如图3所示。

图3　原迫击炮座钣的有限元模型

用Optistrict软件进行拓扑优化为使得添加载荷方便，模型中炮尾处添加刚性单元rbe2来定义载荷作用位置[2-3]。在对迫击炮座钣的优化设计过程中，考虑到火力部分的安装布置，为了避免优化结束后结构的改变使其安装发生干涉现象，将与炮尾接触相接触处以及驻锄与地面接触处考虑为受载关键部位，其结构不能发生变化，故而将其设置为非设计区；将其他部分设置为设计区，对其进行拓扑优化设计。

1) 目标函数：以座钣体积最小为目标函数；

2) 约束条件：在对迫击炮进行拓扑优化时，将stress约束为静力分析时的最大应力值；

3) 施加载荷：根据实验测得迫击炮发射时的炮膛合力变化规律，取膛底压力最大值进行优化设计计算。考虑迫击炮可以进行360°射击，因而在施加载荷时，设置方向角0°、+60°、120°、180° 4种工况施加载荷，将模型的优化过程设置为对称约束；

4) 设计变量：将单位相对密度作为迫击炮座钣的设计变量。

2.3拓扑优化结果

基于OptiStruct软件21次优化迭代后，计算收敛，去除密度阀值小于0.01单元后的优化结果密度分布图如图4所示。

图4　去除密度阀值小于0.01单元后结果

初次拓扑优化的结果显示出迫击炮座钣的传力路径和加强筋板的布置，但是还需要在此基础上进行进一步的结构设计，才能将其应用于实际工程中去。

在进一步结构设计过程中，经过分析设计，最终得到如图5所示的设计方案。经过计算，优化后的迫击炮座钣质量降低了15.6%。

图5　优化后的迫击炮座钣模型

3优化前后结构受力分析对比

优化后的迫击炮座钣去除了结构强度影响较小的区域，同时对迫击炮加强筋的布局进行了设计。将优化后的迫击炮座钣建模并导入AWE软件中进行刚强度分析，将分析结果与原座钣进行对比，结果如表2所示。

表2　迫击炮座钣优化前后对比

从表2中可以看出，优化后的最大等效应力比原迫击炮座钣略有减小，但依旧比较大。分析其原因，可能是去除材料主要是主钣的部分，而驻锄部分并没有太大的变化，所以应力变化不大，材料的减少也会使某些部位所受应力增大。优化后迫击炮座钣的最大位移除在70°射角、0°方向角时有小幅增加，在其他工况下均有较大的改善，说明优化效果较好。表2中的计算结果显示优化后的迫击炮座钣的刚强度符合其设计要求，该迫击炮座钣达到了优化的目的。

4结论

经过对某迫击炮座钣的结构优化设计与力学分析，其质量得以降低15.6%。优化后其最大应力符合设计要求。可以看出，通过Optistruct软件中拓扑优化方法得到的结果模型是一种承载受力比较合理的结构。迫击炮座钣的轻量化设计对降低部队士兵的携重，提高作战效率具有重要意义。

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(责任编辑周江川)

本文引用格式：张孝明，刘树华，彭克侠,等.某迫击炮座钣拓扑优化设计[J].兵器装备工程学报，2016(4):33-35.

Citation format:ZHANG Xiao-ming, LIU Shu-hua, PENG Ke-xia, et al.Topological Optimization Design for Mortar’s Base Plate[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):33-35.

Topological Optimization Design for Mortar’s Base Plate

ZHANG Xiao-ming1, LIU Shu-hua1, PENG Ke-xia1, LIU Xing-guo2

(1.North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.The Entry and Exit Inspection and Quarantine Bureau of Anyang, Anyang 455000, China)

Abstract:To satisfy the demand of the new battleground, lightweight design of mortar was put forward. According to the force of the mortar base plat, we established finite element model based on Hypermesh-OptiStruct software. Then, using topology design of mortar’s base plate, we completed the design of improvements. The stiffness and strength of the optimized model were analyzed with the AWE finite element software. It proved the rationality of optimization plan through the analysis. After topology optimization, the mass of mortar’s base plate is decreased by 15.6%. This topology design wil have some reference to the design of mortar’s base plate.

Key words：mortar; base plate; topology optimization; analysis of stiffness and strength

文章编号：1006-0707(2016)04-0033-04

中图分类号：TJ31

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.009

作者简介：张孝明(1990—)，男，硕士研究生，主要从事火炮总体设计技术研究。

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2015-11-03

【装备理论与装备技术】