航空彈藥彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　摘要為降低航空彈藥彈體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提升產(chǎn)品綜合性能，對(duì)彈體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于靜力等效韌度原則，分析結(jié)構(gòu)傳力路徑，應(yīng)用形狀優(yōu)化及自由形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，改變承力位置局部結(jié)構(gòu)，采用鋁合金材料替換高強(qiáng)度鋼實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。提出適用于一般工程應(yīng)用的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，在高應(yīng)力區(qū)增加材料尺寸進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償，低應(yīng)力區(qū)進(jìn)行尺寸縮減，并在局部結(jié)構(gòu)突變位置增加倒角等措施以降低應(yīng)力集中，材料替換后保證彈體結(jié)構(gòu)可靠性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，彈翼安裝結(jié)構(gòu)質(zhì)量由6.6kg降至2.6kg，降幅達(dá)60%，同時(shí)可減輕配重約4.7kg，效果顯著。

　　關(guān)鍵詞彈體結(jié)構(gòu);輕量化;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;等效韌度;自由形狀優(yōu)化

　　對(duì)于遠(yuǎn)程航空彈藥而言，在同等質(zhì)量條件下，彈體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的減少，可增加有效載荷、提升飛行速度、增加飛行距離。在保證強(qiáng)度及剛度的基礎(chǔ)上，彈體質(zhì)量降低，可提升產(chǎn)品控制能力及產(chǎn)品射程，獲得更好的操縱性和動(dòng)力性，提高武器總體性能。彈體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是航空彈藥總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵技術(shù)及熱點(diǎn)問(wèn)題[1-3]。

　　實(shí)現(xiàn)彈體結(jié)構(gòu)輕量化的途徑主要包括輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕質(zhì)材料的開發(fā)研究及先進(jìn)制造工藝研究[4]。在彈體輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，科研及工程設(shè)計(jì)人員做了相關(guān)研究工作，張亮亮[5]通過(guò)多學(xué)科集成設(shè)計(jì)對(duì)導(dǎo)彈各學(xué)科開展集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈起飛質(zhì)量最輕的目標(biāo)，并摸索出一套工程化的應(yīng)用方法;高宗戰(zhàn)等[6]應(yīng)用工程算法對(duì)舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行三向剛度的等代設(shè)計(jì)，開展復(fù)合材料替代金屬材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕一半左右，還有其他工程設(shè)計(jì)人員基于不同優(yōu)化方法對(duì)導(dǎo)彈及其相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)[7-9]。

　　在航空彈藥彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，彈翼安裝結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力超過(guò)700MPa，其結(jié)構(gòu)材料只能選用高強(qiáng)度鋼，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)質(zhì)量偏重，并且為了調(diào)整質(zhì)心位置，需要在彈體前部增配重，彈體消極質(zhì)量增加較多。以往彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)射程要求不高，質(zhì)量指標(biāo)較為寬松，通常以彈體結(jié)構(gòu)通過(guò)靜力試驗(yàn)考核為標(biāo)準(zhǔn)，忽略了彈體結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，甚至?xí)�影響武器總體性能的發(fā)揮。

　　本文嘗試用鋁合金材料代替高強(qiáng)度鋼，采用等效靜力韌度設(shè)計(jì)原則，在保證力學(xué)性能的前提下，通過(guò)分析傳力路徑，基于形狀優(yōu)化及自由形狀優(yōu)化方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度，解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)質(zhì)量過(guò)重問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)彈體結(jié)構(gòu)輕量化。

　　優(yōu)化分析理論結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助工程分析設(shè)計(jì)發(fā)展的熱點(diǎn)，在學(xué)術(shù)研究方面主要變密度法、均勻化法、水平集法及各種優(yōu)化準(zhǔn)則，優(yōu)化方法主要有拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化及自由形狀優(yōu)化，其中前三種優(yōu)化方式主要應(yīng)用在概念設(shè)計(jì)階段，后三種優(yōu)化方式則適用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段[10-11]。本文涉及的優(yōu)化過(guò)程屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，采用直接改變有限元網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)位置優(yōu)化產(chǎn)品幾何形狀的形狀優(yōu)化及自動(dòng)確定所選優(yōu)化區(qū)域的最佳結(jié)構(gòu)形狀的自由形狀優(yōu)化兩種優(yōu)化方法相結(jié)合的方式，確定最終優(yōu)化方案。

　　1.1近似模型擬合

　　直接對(duì)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化，那么在進(jìn)行每次迭代時(shí)都將進(jìn)行多次求解計(jì)算，計(jì)算量很大。如果所采用的有限元模型是隱式的，還需進(jìn)行顯式近似模型轉(zhuǎn)化。得到顯式近似模型的方法是利用靈敏度信息對(duì)設(shè)計(jì)響應(yīng)進(jìn)行展開。最優(yōu)解的方法可以采用直接法和對(duì)偶法兩大類方法。

　　1.2收斂準(zhǔn)則

　　優(yōu)化問(wèn)題求解收斂的判斷標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)兩次迭代的目標(biāo)值小于收斂容差，用戶可自己確定收斂容差，對(duì)于一般問(wèn)題也可以使用系統(tǒng)默認(rèn)的收斂容差，容差值為0.5%，此外，還可以通過(guò)限制迭代次數(shù)來(lái)完成優(yōu)化問(wèn)題計(jì)算，用戶也可自己設(shè)定迭代次數(shù)，系統(tǒng)默認(rèn)的最多迭代次數(shù)為30，當(dāng)達(dá)到30次迭代時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)束優(yōu)化迭代，完成優(yōu)化。優(yōu)化求解完成后，工程師們最關(guān)心的問(wèn)題就是找到的最優(yōu)解是否是全局最優(yōu)解。實(shí)際上，很難找到滿足全部要求的全局最優(yōu)解，而在工程應(yīng)用中，全局最優(yōu)解往往難以找到，只要滿足工程需要就可以認(rèn)為是最優(yōu)解。

　　2優(yōu)化問(wèn)題描述

　　在某型航空彈藥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，其彈翼安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高，為滿足強(qiáng)度及剛度要求，其原始設(shè)計(jì)使用的是高強(qiáng)度鋼框結(jié)構(gòu)。

　　2.1問(wèn)題分析及優(yōu)化思路

　　近年來(lái)輕質(zhì)合金在彈體所用材料中比例不斷上升，特別是鋁合金的應(yīng)用更具前景，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和理論計(jì)算，“以鋁代鋼”是彈體結(jié)構(gòu)減重的重要措施。因此，本文中彈體結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路基于靜力等效韌度原則，通過(guò)分析傳力路徑，在不顯著增加質(zhì)量的前提下，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，充分發(fā)揮鋁合金材料機(jī)械性能，通過(guò)材料替換及結(jié)構(gòu)優(yōu)化大幅降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

　　本文所用的超高強(qiáng)度鋼材料為35CrMnSiA，材料密度為7850kg/m3，屈服強(qiáng)度為835MPa，鋁合金材料2A12，材料密度為2800kg/m3，屈服強(qiáng)度為275MPa。在優(yōu)化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到裝配定位及約束較多，且設(shè)計(jì)階段已處于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，因此本文采用的優(yōu)化方式為形狀優(yōu)化及自由形狀優(yōu)化。

　　通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大位置處于翼軸安裝角附近區(qū)域，而兩個(gè)翼軸安裝角之間的區(qū)域應(yīng)力并不大，可以適當(dāng)減少材料使用。給出原始結(jié)構(gòu)中應(yīng)力范圍超出275MPa的區(qū)域，高于此應(yīng)力值的區(qū)域(有顏色區(qū)域，高應(yīng)力區(qū))需要優(yōu)化傳力路徑及加強(qiáng)，低于此應(yīng)力值的區(qū)域(灰色區(qū)域，低應(yīng)力區(qū))可以適當(dāng)削弱，從而達(dá)到充分利用材料的目的。

　　2.2高應(yīng)力區(qū)整體優(yōu)化

　　為保證結(jié)構(gòu)滿足其使用要求，需先降低高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力，降低高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力是能否完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵。優(yōu)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程需要多次循環(huán)和迭代。根據(jù)其應(yīng)力結(jié)果及傳力路徑分析，首先需在高應(yīng)力區(qū)填補(bǔ)材料，優(yōu)化結(jié)果表明其應(yīng)力峰值下降顯著。應(yīng)力峰值從719MPa下降到357MPa，高應(yīng)力區(qū)范圍急劇減小。

　　2.3結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在滿足強(qiáng)度的同時(shí)保證材料具有足夠的剛度，優(yōu)化前后翼片安裝框位移響應(yīng)及艙體整體位移響應(yīng)云圖。優(yōu)化前艙體整體及翼片安裝框最大位移均發(fā)生在翼片安裝框翼軸安裝區(qū)域附近，其值為1.45mm。優(yōu)化后位移響應(yīng)最大值位置沒(méi)有發(fā)生變化，但其數(shù)值有所降低，大小為0.69mm。可見，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)不僅在強(qiáng)度上滿足使用要求，其剛度也有所提高，滿足使用要求。

　　3靜力試驗(yàn)驗(yàn)證為保證彈體結(jié)構(gòu)可靠性，航空彈藥彈體結(jié)構(gòu)必須經(jīng)過(guò)靜力試驗(yàn)考核。將優(yōu)化后鋁合金彈體結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，并進(jìn)行靜力試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果在結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大位置處黏貼應(yīng)變片以確定其應(yīng)力水平并驗(yàn)證有限元仿真的準(zhǔn)確性，靜力試驗(yàn)與仿真應(yīng)力結(jié)果對(duì)比。

　　4結(jié)論

　　優(yōu)化后結(jié)構(gòu)件質(zhì)量由6.6kg降至2.6kg，減重總重4.0kg，質(zhì)量降低幅度達(dá)60%。同時(shí)，可減輕配重約4.7kg，因此，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，共降低消極質(zhì)量8.7kg，減重效果明顯。同時(shí)，在后續(xù)螺接制孔及安裝過(guò)程中，鋁合金材料提高產(chǎn)品的工藝性能及裝配性能。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析過(guò)程還得到可供工程設(shè)計(jì)中參考的相關(guān)結(jié)論：

　　1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析首先應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力形式及應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍整體如處于許用應(yīng)力的70%～80%，則可認(rèn)為此結(jié)構(gòu)材料利用率較高，可優(yōu)化空間不大。如果結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力較高，甚至超出許用應(yīng)力，但是還有較大部分低應(yīng)力區(qū)，則此結(jié)構(gòu)存在優(yōu)化空間，可分析結(jié)構(gòu)傳力路徑后進(jìn)行優(yōu)化。2)優(yōu)化過(guò)程中，可將結(jié)構(gòu)劃分為高應(yīng)力區(qū)及低應(yīng)力區(qū)，針對(duì)不同應(yīng)力區(qū)域使用不同優(yōu)化策略。高應(yīng)力區(qū)主要考慮傳力路徑填補(bǔ)材料，改變高應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)特征;低應(yīng)力區(qū)可通過(guò)自由形狀優(yōu)化設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，降低結(jié)構(gòu)厚度，達(dá)到充分利用材料的目的。

　　航空材料論文投稿期刊：《宇航學(xué)報(bào)》(月刊)創(chuàng)刊于1980年，由中國(guó)宇航學(xué)會(huì)主辦。本刊立足于反映中國(guó)宇航界在理論、技術(shù)和前瞻性研究中所取得的最新科技成果,促進(jìn)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流,為培養(yǎng)科技人才，發(fā)展中國(guó)航天事業(yè)和實(shí)現(xiàn)科技現(xiàn)代化服務(wù)。

　　3)彈體結(jié)構(gòu)中受力較大位置，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)形狀突變，避免凹槽、截面積突變、尖角及切口等，減少產(chǎn)生應(yīng)力集中，改善應(yīng)力分布�？稍诶饨俏恢眉庸こ傻菇�，倒角可以有效的避免結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生的應(yīng)力集中，降低應(yīng)力響應(yīng)幅值，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能及疲勞壽命，在加工制造過(guò)程中，倒角也可避免對(duì)裝配人員的劃傷。4)優(yōu)化過(guò)程是系統(tǒng)工程，優(yōu)化過(guò)程中不僅需要考慮結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度剛度等性能，還要考慮產(chǎn)品加工工藝、裝配過(guò)程、加工制造成本等多方面因素。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：徐智強(qiáng)，章麗麗，吳會(huì)菊，徐國(guó)徽

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