復合材料火箭炮定向器結構優化

李猛，于存貴，齊賢偉，崔二巍

(南京理工大學，江蘇 南京 210094)

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復合材料火箭炮定向器結構優化

李猛，于存貴，齊賢偉，崔二巍

(南京理工大學，江蘇 南京 210094)

摘要：復合材料在火箭炮定向管中的應用有利于減小結構質量，提高火箭炮戰術技術性能。以某火箭炮的定向器為研究對象，建立了定向器的有限元模型，以第一階模態固有頻率為目標函數，以原有質量不變為約束條件，利用HyperWorks對復合材料進行優化。優化內容包括復合材料鋪層角度和鋪層厚度。

關鍵詞：復合材料；火箭炮；定向器

0引言

復合材料是由兩種或多種不同性質的材料使用物理或化學方法制成的具有比單一材料性能更為優越的材料。復合火箭炮定向管的應用，有利于減輕整個武器系統的質量，并且延長使用壽命。以環氧樹脂為基體，玻璃纖維增強復合而成的玻璃鋼復合材料，具有強度高、質量輕、抗腐蝕性和抗疲勞性強、電性能和熱性能好及可設計性好等優點，在定向管和導彈發射筒上得到廣泛應用。

復合材料的使用形式最早是層合板形式，即把幾個單獨鋪層膠接而成，并且每層的纖維方向與層壓板參考軸成某一角度。由于復合材料的這種組成形式，為結構優化提供了巨大的空間，比如鋪層角度、鋪層厚度。本文通過改變鋪層的角度和鋪層厚度，提高結構的第一階固有頻率。

1HyperWorks優化軟件簡介

HyperWorks軟件包含HyperMesh，Optistruct，RADIOSS，HyperView等模塊，分別用于復合材料的前處理、優化、求解、后處理，廣泛用于復合材料的分析和優化問題。其中HyperMesh支持Ply+Stack的復合材料鋪層建模方式，即可以自由定義復合材料的物理鋪層范圍。RADIOOS可用于復合材料的求解，支持PCOMP定義鋪層、PCOMPP定義鋪層形狀及次序，可以方便求出各層的應力、應變和失效指數。HyperLaminate擁有經典的復合材料求解器，可以將復雜的三維各項異性的復合材料層合板等效成簡單的二維各項異性材料平板，可以方便使用PSHELL單元建模。Optistruct具有強大的復合材料優化能力，支持鋪層剪切形狀優化、鋪層比優化、鋪層次序的優化等，在優化過程中可以考慮鋪層應力、失效等約束條件，基本流程如圖1所示。

圖1　復合材料優化流程

2定向器優化分析

2.1　定向器基本參數

該定向器長度為3000mm，壁厚為40mm，采用環氧玻璃纖維制成的復合材料，材料性能如表1所示。

表1　環氧玻璃纖維材料性能

復合材料總共由5層纖維鋪成，每層纖維厚0.8mm。鋪成形式如圖2所示。從圖2可以看出相鄰兩鋪層的鋪層角度為45°。

圖2　復合材料鋪層形式

2.2　有限元模型的建立

使用三維繪圖軟件繪制定向器的三維模型，導入到HyperMesh進行前處理。首先將繪制的實體模型抽取中面，劃分2D網格。根據實際的約束情況，在定向器的相應位置建立約束。建立圖2所示的復合材料鋪層，將鋪層屬性賦予所建立的幾何模型。在HyperMesh中建立的有限元模型如圖3所示。定向器中包含螺旋導槽結構。

圖3　定向器有限元模型

2.3　原有模型的模態分析

本文的優化目的是提高定向器的第一階固有頻率，首先使用RADIOSS對原有結構進行模態分析得到初始固有頻率。第一階的振型和固有頻率如圖4所示。從圖中可知，一階固有頻率為361Hz。

圖4　第一階模態振型和固有頻率

2.4　優化分析

結構優化以設計變量、目標函數和約束條件為三要素。設計變量是迭代過程中不斷改變用于需求最優解的一組參數。目標函數就是優化所要達到的材料某種屬性，如最小質量，它是關于設計變量的函數。約束條件是對設計的限制，是對設計變量和其他性能的要求。本文以一階固有頻率最大為目標函數，鋪層的角度和鋪層厚度為設計變量，約束條件為總厚度不變。其中復合材料設計變量的設置如圖5所示。其中NewDvth1，NewDvth2，NewDvNth3為鋪層厚度變量，變化范圍為0.4mm~1mm；NewDv1和NewDv2為鋪層角度變量，變化范圍為別為30°~70°和70°~110°。

圖5　復合材料設計變量設置

運行優化程序，優化完畢后，查看迭代過程鋪層角度設計變量和鋪層厚度設計變量的變化情況，分別如圖6，圖7所示。由圖可知第2,4鋪層的鋪層角度由45°優化為70°，第1,5鋪層的鋪層角度由90°優化為95°。第3鋪層厚度由0.8mm優化為1mm，第2,4鋪層厚度由0.8mm優化為0.53mm，第1,5鋪層厚度由0.8mm優化為0.47mm。

圖6　鋪層角度優化過程

圖7　鋪層厚度優化過程

優化分析完畢后，查看定向器的一階模態振型和固有頻率，如圖8所示。從圖中可知，固有頻率由361Hz提高到了420Hz。

圖8　優化后的一階模態

3結論

以某火箭炮定向器為研究對象，通過改變鋪層厚度和鋪層角度提高其一階固有頻率。應用HyperWorks軟件，設置所需的目標函數、約束條件和設計變量，得到了合理的鋪層厚度和鋪層角度。對于復合材料優化還有其他值得深入的地方，比如裁剪形狀和厚度分布。本文對火箭炮復合材料定向器的設計與優化具有一定的參考價值。

參考文獻:

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Optimization Design of Composite Director

LI Meng,YU Cun-gui, QI Xian-wei, CUI Er-wei

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:Composite materials can be used in the director of rocket launcher to reduce its mass，and enhance the technical performance of MRLS.In this paper, the director of rocket launcher is selected as the research object and the finite element model is created.Then the first mode natural frequency is chosen as the objective function,and the mass is chosen as constraint. The composite materials are optimized using HyperWorks. In this analysis,the thickness and angel of each lay are considered.

Keywords:composite material; rocket launder; director

中圖分類號：TJ393

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0111-02

作者簡介：李猛(1986-)，男，山東泰安人，碩士研究生，研究方向為車載火箭結構分析及優化。