轉管武器開鎖器結構的動態優化設計*

賈彥飛,李 強,李世康,高 巖

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

0 引言

由于轉管武器射速較高,每完成一次射擊循環,機芯體與開鎖器上的開鎖齒之間都會發生碰撞,連續射擊過程中開鎖器上的開鎖齒便容易發生疲勞斷裂,從而影響整個轉管自動機的工作性能。開鎖齒斷裂后,機芯體便不能及時開鎖,便導致其與炮尾發生卡滯,從而使整個自動機都無法正常運轉。故從結構優化方面來對開鎖器結構進行優化設計是解決該問題的必要舉措。

而isight優化技術起源于20世紀80年代,是由美籍華人唐兆成博士開發設計的。該軟件技術最先應用于波音777發動機優化設計項目上,實現了燃油消耗率1%、質量減輕90～110 kg的優化方案[1]。后來其廣泛應用于汽車、航空等許多領域。文獻[2]通過isight建立了并聯構型裝備多目標優化設計平臺,成功實現將多學科技術應用于機器人領域。文獻[3]基于isight實現將車門整體質量減小15%的設計方案。此外isight在兵器領域也有所應用,文獻[4]基于多學科并行優化技術對內能源轉管武器的活塞裝置進行了結構優化。而文中則將isight多學科優化平臺應用于開鎖器結構優化上來,以得到提高開鎖器結構強度的最優方案。

1 開鎖器的有限元分析

針對轉管武器開鎖器斷裂的問題,首先通過三維設計軟件UG建立轉管自動機模型,然后通過導出Parasolid中間格式文件到ADAMS軟件中建立轉管自動機虛擬樣模型(如圖1),為了模擬自動機射擊過程中各個關重件之間的撞擊狀態,在盡量保證與實際模型保持一致的基礎上對原轉管自動機三維模型做了如下修改:

1)在不影響計算結果的基礎上對于沒有相對運動關系的部件進行固定處理;

2)為了真實模擬轉管武器后坐運動過程,將試驗測得的炮膛合力數據以SPLINE函數的形式施加與炮閂上;

3)考慮計算成本,所建立的虛擬樣機模型為全剛體模型,不考慮柔性體對部件的影響。

通過仿真計算得出了在射速為3 600發/min時射擊一發過程中機芯體與開鎖器之間的碰撞接觸力(如圖2)。可知機芯體開鎖過程中與開鎖器的撞擊力峰值高達32.577 kN,開鎖齒承受較大的撞擊力。

采用有限元理論對開鎖器進行強度分析。首先建立有限元模型,分析開鎖過程中與機芯體接觸的主要是開鎖器上的開鎖齒結構,故簡化掉非接觸面上的倒角、圓角等特征。同時對不影響開鎖性能的開鎖器下部架體略去。

采用soid186三維實體單元進行劃分,該單元有任意的空間各向異性,支持塑性、超彈性、蠕變、應力鋼化等。其網格模型如圖3所示。材料參數如表1所示。

參數參數值溫度室溫下密度/(kg/m3)7 830屈服極限/MPa1 325彈性模量/MPa2.14e+5泊松比0.29

由于開鎖器與炮箱為固定安裝,故對開鎖器兩端面施加固定約束。通過將動力學分析得出的撞擊力施加在開鎖齒撞擊面上,采用全瞬態動力學分析的方法對開鎖器進行強度分析。

通過有限元軟件ANSYS仿真得出開鎖器在瞬態動力載荷下的最大應力云圖如圖4所示,其最大應力位置為開鎖塊上側兩端處,與試驗中出現斷裂位置大致吻合,其最大應力值為1 466 MPa,該位置處應力已超過屈服極限,比較容易出現塑性變形,屬于開鎖結構危險區域。

2 開鎖器結構設計參數靈敏度分析

由以前的分析結果可以看出開鎖器之所以發生斷裂是由于局部應力過大引起的。故選取開鎖器的最大應力值為目標函數,在質量變化不大的約束下,對開鎖器結構參數進行優化設計以達到減小最大應力的目的。開鎖器的結構設計參數包括:開鎖齒定點至中心距離l2、開鎖斜齒寬度l3、開鎖直齒寬度l4、開鎖斜齒高度l5、過渡圓弧r2、過渡圓弧r3。其剖面草圖如圖5所示。

考慮到各個設計參數對開鎖器的強度影響程度不同,文中通過采用最優拉丁超立方設計方法來對開鎖器各個設計變量進行靈敏度分析。最優拉丁超立方設計可以使實驗點盡量均勻地分布在設計空間中,從而使變量和響應擬合的更加精確[4],從而為整個結構優化提供一定的參考方向,減少優化的盲目性。

試驗設計一共建立了200個設計點,共進行了201次計算,通過計算得出Pareto圖(如圖6所示),該圖顯示了所有設計參數對每個響應的貢獻程度百分比,圖7為各個設計變量對目標函數的主效應圖。由圖可知:由圖可知:開鎖齒定點至中心距離l2對開鎖器撞擊過程中產生的應力影響較大,目標函數在一定范圍內隨其增大而減小,但是超過一定數值以后便會隨其增大而增大;其次開鎖斜齒高度l5對目標函數的影響較大,目標函數在一定范圍內隨其增大而減小;開鎖直齒寬度l4、開鎖斜齒寬度l3、過渡圓弧r2、過渡圓弧r3對目標函數的影響權重相差不多,對目標函數的影響較小。

3 建立響應面模型

建立響應面模型可以通過較少的試驗在局部范圍內得出比較精確的逼近函數關系,從而得出輸入、輸出變量之間的量化關系[4]。當試驗區域遠離最優區域時采用的是1階逼近,其模型為:

(1)

式中：β0為回歸系數；M+1為所需的最少樣本點數；βi為xi的斜率。當試驗區域接近于最優區域時采用的是2階逼近,其模型為:

(2)

為降低計算成本采用一階響應建立開鎖器的有限元分析近似模型,其結果如圖8所示。

4 開鎖器多參數并行優化設計

開鎖器結構優化過行程中以最大應力為目標函數,質量為約束條件,其最終目的是找出一種最優結構方案使開鎖塊最大應力最小化。則基于多學科優化的開鎖器結構設計數學模型如下所示:

minf={min vinmises(dv_l2,dv_l3,

dv_l4,dv_l5,dv_r2,dv_r3)

|mass(dv_l2,dv_l3,dv_l4)|≤1.1 m

|mass(dv_l5,dv_r2,dv_r3)|≤1.1 m

42 mm≤dv_l2≤43 mm

2 mm≤dv_l3≤3 mm

2 mm≤dv_l4≤3 mm

(3)

6 mm≤dv_l5≤8 mm

1 mm≤dv_r2≤3 mm

1 mm≤dv_r3≤3 mm

由于結構優化具有非線性和連續的特點,故文中采用梯度優化算法MMFD來解決。該算法能夠處理設計變量是實型的問題。同時,在有任何約束作用且沒有約束沖突時采用修正可行性方向法來獲得更加精確的搜索方向,以得到最優解[1]。優化設計過程是在相同材料參數、相同單元類型、網格密度及約束條件下進行迭代的,其優化迭代過程如圖9所示。優化結果見表1,可知通過優化使得開鎖器最大應力由1 466 MPa降為128 MPa,遠遠小于其屈服極限,而且降低幅度達到了91%。為了驗證優化結果在同等條件下按照優化后的結構尺寸進行了仿真驗證,得出最大應力為150 MPa,與isight多參數優化結果接近,其降低幅度也達到了89.8%。由此可見結構優化起到了很好的效果,在相同的撞擊條件下開鎖器的使用壽命將大大提高。

l2/mml3/mml4/mml5/mmr2/mmr3/mmMax Mises/MPa優化前432.82.47.42.52.51 466優化后41.982.8252.425611.56128

5 小結

文中首先建立轉管自動機虛擬樣機模型,通過計算得出開鎖器所受到的撞擊力,然后基于有限元理論分析了開鎖器斷裂的原因。通過靈敏度分析找出對應力影響較大的結構參數并利用isight建立了結構參數近似模型,然后通過梯度優化算法MMFD集成運行有限元程序對開鎖器結構進行并行優化,通過優化得出最優設計方案,并且開鎖器的最大應力與原始方案相比大大減小,結構強度有了很大的改善。同時該設計方法對轉管武器其他部件的優化設計提供了一定的參考價值。