舰炮结构动力学仿真与优化

信息技术李猛,等·舰炮结构动力学仿真与优化舰炮结构动力学仿真与优化李猛!,陈毅2,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有限元软件,对舰炮进行了全炮结构动力学仿真。运用隐式动力学计算方法模拟了舰炮发射的后坐复进过程,得到了炮口位置的速度和位移曲线。为减小炮口扰动,使用Ⅳper Works软件对摇架结构进行优化,得到了优化模型。通过计算,验证了优化的有效性关键词: ABAQUS;舰炮; Hyper Works;结构优化中图分类号:T303;TP391.9文献标志码:B文章编号: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软件中,拓扑优化使用的方法是变密0引言度法,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2舰炮结构动力学分析学系统。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2.1有限元模型的建立进行了模态分析。为减小炮口扰动,对摇架颈筒进行优首先使用三维软件建立简化的舰炮模型。该模型只化,在结构质量没有大幅增加的情况下,提高结构的一阶保留对舰炮系统质量特性、力学特性影响显著的部件。将固有频率并且改善应力分布情况。对优化后的结构进行简化好的模型以在 ABAQUS中划分网格。针对结构特分析,验证了优化方法的有效性点,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1结构优化的基本理论网格划分情况如图1所示。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)TYH史化作者简介:李猛(1986-),男,山东泰安人,硕士研究生,研究方向:车载火箭结构分析及优化htp:∥HD.chinajournal.netcnE-mail:zZHD@chainajournal.net.cn《机械制造与自动化》信息技术李猛,等·舰炮结构动力学仿真与优化全炮所有部件所用材料均为钢,弹性模量取210000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5U3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 Hyper Works中进行模态分析的结图2U1位移曲线果截图。图6颈筒应力图图3V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人研究,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方图7摇架1阶模态向的振动幅度是U3方向振动幅度的3倍左右。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3舰炮结构优化中国煤化工对优化三要素CNMHG有频率最图4U2位移曲线大;约束条件为体积分数不超迂5%;计变量为颈筒壁(下转第125页Machine Building a Automation, Dec 2014, 43(6): 116-117, 125信息技术曹霞,等·拖拉机变速箱体钻螺纹底孔夹具有限元分析AN宽,当外载荷频率为135.38、178.36、205.04、215.05和360.75Hz时,夹具才发生共振现象,在零件加工工艺设计时应避开上述频率参考文献[Il]卢秉桓机械制造技术基础[M].北京:机械工业出版社2005,107-109[2]焦小明,孙庆群机械加工技术[M].北京:机械工业出版社2005,177图13整体第五阶振型云图[3]洪如瑾 UGNXCAD快速入门指导[M].北京:清华大学出版4]尹飞鸿有限元法基本原理及应用[M].北京:高等教育出版4结语社,2010[5]文国治,李正良结构分析中的有限元法[M].武汉:武汉理对拖拉机变速箱体钻螺纹底孔夹具进行了静态和模工大学出版社,2010.态分析,得到了电磁屏蔽门悬挂轨道变形、应力和固有频61张朝辉 ANSYS0结构分析工程应用实例解析[M.北京机械工业出版,2008率。从有限元模态分析结果发现,总变形为0.087728mm,满足精度要求。该结构的固有频率范围较收稿日期:2013-11-19AAAAAAAAAAAAAAMAAAAAAAAAAAAAAA(上接第117页算验证了优化的有效性。厚,在 OptiStruct中设置壁厚变化范围为15mm~38.5mm。进行完优化过程后,在 Hyper View中查看优化分析结果如图8所示。结果改进方案如图9所示图8优化分析结果04图10U2位移曲线参考文献[1]楚志远,杨国来,陈运生.自行火炮非线性有限元动力学仿真方法研究[冂].兵工学报,2001,22(2)图9结构改进方案[2]楚志远,杨国来,陈运生,模拟火炮后坐运动的非线性弹簧阻尼单元[J.应用力学学报,2001,18(3):121-124使用修改后的模型进行全炮有限元分析,获取炮口[3]张文元,费红姿连尉安,等. ABAQUS动力学有限元分析指U2方向结果,如图10所示。对比图4,可知炮口在该方向南[M].香港:中国图书出版社,2005的振动位移有了大幅减小[4]王钰栋. HyperMesh& Hyper View应用技巧与高级实例[M].北京:机械工业出版社,2012.结论[5]宏清泉. Optistruct& HyperStudy理论基础与高级实例[M].北京:机械工业出本文实现了某舰炮后坐部分大位移的发射过程动力[6]张胜兰,郑冬黎,中国煤化工设计技术学模拟仿真,获得了炮口后坐复进位移和速度动态响应以[M].北京:机械CNMHG及颈筒的典型应力分布、模态振型等。为减小炮口扰动对摇架颈筒进行优化,得到了优化结构,对优化结构的计收稿日期:2013-08-21Machine Building a Automation, Dec 2014, 43(6): 122-125