基于SolidWorks的某艦載轉(zhuǎn)臺(tái)支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊軼，劉詩(shī)林，唐繼明

（長(zhǎng)沙金信諾防務(wù)技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

某艦載轉(zhuǎn)臺(tái)是調(diào)轉(zhuǎn)其承載的武器發(fā)射裝置到指定角度進(jìn)行射擊的設(shè)備，可進(jìn)行方位和俯仰方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。支架是承受武器發(fā)射載荷的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)件，其力學(xué)特性的優(yōu)劣直接影響武器系統(tǒng)性能和精度。同時(shí)驅(qū)動(dòng)支架進(jìn)行方位轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)為滿足空間要求一般驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力有限，因此在支架滿足一定剛度和強(qiáng)度要求下，需要盡可能減輕結(jié)構(gòu)重量，減小其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的。

SolidWorks 是現(xiàn)如今應(yīng)用較為廣泛的三維軟件之一，可以完成零件部件和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三維建模并且可以對(duì)其進(jìn)行分析的軟件，能夠很大的提高模型設(shè)計(jì)的水平和效率。

1 支架有限元分析

1.1 有限元模型

轉(zhuǎn)臺(tái)承載武器發(fā)射裝置的載荷通過(guò)搖架的耳軸傳遞給支架，支架采用U 型結(jié)構(gòu)。運(yùn)用Solidworks 軟件建立支架的三維模型。支架的材料為2014-T4，密度為7800kg/m3；彈性模量為7.24e10Pa；泊松比為0.33，許用應(yīng)力65MPa。本文對(duì)模型網(wǎng)格劃分采用Solidworks 軟件中Simulation 模塊的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖1 所示。

圖1 支架有限元網(wǎng)格

1.2 載荷及約束

此轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰射角范圍為-15°～+45°，-15°、0°和45°時(shí)工況是3 個(gè)具有代表性的典型工況。支架主要承武器射擊時(shí)后坐力作用，取最大后坐力2000N 為有限元模型載荷。其次支架承受武器發(fā)射裝置的傳遞過(guò)來(lái)的重力500N，另外還受自身重力作用。位移約束則施加在支架與驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸的連接面上,如圖2。

1.3 支架靜力分析

通過(guò)運(yùn)行算例得支架分別在-15°、0°和45°射角時(shí)的最大應(yīng)力和最大位移，結(jié)果分析見(jiàn)表1。

圖2 俯仰射角0 射擊工況載荷約束施加圖

表1 支架靜力分析結(jié)果

由分析可知，支架在0°射角時(shí)的最大應(yīng)力為14MPa 遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力65MPa。由于支架耳軸處通常安裝軸承，為避免因變形大，出現(xiàn)軸承咬死，一般變形要小于0.5mm。結(jié)構(gòu)變形最大值為0.124mm，發(fā)生支架頂部，支架耳軸處變形最大值為0.112mm，如圖3 所示。由此可見(jiàn)，先前設(shè)計(jì)較保守，支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化有相當(dāng)大的空間。

圖3 俯仰射角0 射擊應(yīng)力和位移云圖

1.4 支架模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析可以獲取結(jié)構(gòu)件的固有頻率和振型，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或者以特定的頻率進(jìn)行振動(dòng)。故對(duì)支架的有限元模型求解共擴(kuò)展了6 階模態(tài)并提取前6 階固有頻率值如表2 所示。

表2 支架模態(tài)分析結(jié)果

機(jī)械系統(tǒng)一般要求自由振動(dòng)固有頻率必須高于最高工作頻率的5～8 倍，由于本轉(zhuǎn)臺(tái)支架用于搭載武器發(fā)射裝置，其工作頻率較低，因此所轉(zhuǎn)臺(tái)支架一階最小固有頻率不能低于80Hz。由圖4 可知轉(zhuǎn)臺(tái)支架的第一階固有頻率為239.21Hz，遠(yuǎn)大于最小固有頻率要求，工作時(shí)結(jié)構(gòu)本身不會(huì)發(fā)生共振，可以滿足使用要求的，同時(shí)支架結(jié)構(gòu)存在優(yōu)化的空間。

2 支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上文分析可知支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較保守，在保證強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，這樣既能夠降低所需電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，還可以節(jié)省材料。優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則是首先確定重量最小為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)改變模型重要板的厚度或者長(zhǎng)度來(lái)求出支架模型重量最小化。

而SolidWorks 軟件自身帶有仿真優(yōu)化功能，采用多維約束最優(yōu)化的方法進(jìn)行優(yōu)化分析，通過(guò)強(qiáng)大的迭代計(jì)算功能計(jì)算出最適合的目標(biāo)函數(shù)。本文利用SolidWorks 在對(duì)模型進(jìn)行仿真分析后，選取桿優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為支架的質(zhì)量最小化。選取耳軸板厚度、上側(cè)板厚度、下側(cè)板厚度、底板厚度為設(shè)計(jì)變量。選取強(qiáng)度和剛度為約束條件，各約束條件值為：von Mise 應(yīng)力值小于65MPa，合位移值小于0.25mm，頻率小于80Hz。經(jīng)過(guò)如圖5 示的迭代優(yōu)化之后，得到支架重量的最優(yōu)解，優(yōu)化前后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比如表3 所示。

表3 支架優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 一階模態(tài)振型云圖

由表3 知，結(jié)支架重由先前的25.39kg 降到了15.41kg,減輕了39.3%。通過(guò)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)比較，可知支架適當(dāng)減輕重量，強(qiáng)度和剛度都滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)本身也不會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)品性能可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)利用Solidworks 軟件對(duì)支架進(jìn)行建模，并對(duì)支架進(jìn)行靜力學(xué)及模態(tài)分析，設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度的要求，工作時(shí)不會(huì)共振。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)支架設(shè)計(jì)比較保守。

(2)在有限元分析的基礎(chǔ)上，在保證支架強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，通過(guò)SolidWorks 的優(yōu)化功能對(duì)支架進(jìn)行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)更趨于合理，整體質(zhì)量減輕了39.3%。

(3)通過(guò)SolidWorks 軟件對(duì)支架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，為結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)，對(duì)不斷地產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改進(jìn)有重要的指導(dǎo)意義。