信息技術(shù)李猛,等·艦炮結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化艦炮結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化李猛!,陳毅2,常久龍(1.南京理工大學(xué),江蘇南京210094;2承德石油高等專科學(xué)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有限元軟件,對(duì)艦炮進(jìn)行了全炮結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真。運(yùn)用隱式動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法模擬了艦炮發(fā)射的后坐復(fù)進(jìn)過程,得到了炮口位置的速度和位移曲線。為減小炮口擾動(dòng),使用Ⅳper Works軟件對(duì)搖架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得到了優(yōu)化模型。通過計(jì)算,驗(yàn)證了優(yōu)化的有效性關(guān)鍵詞: ABAQUS;艦炮; Hyper Works;結(jié)構(gòu)優(yōu)化中圖分類號(hào):T303;TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):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軟件中,拓?fù)鋬?yōu)化使用的方法是變密0引言度法,將設(shè)計(jì)區(qū)域的單元密度設(shè)置為設(shè)計(jì)變量,通過多次迭代,尋求最優(yōu)單元密度火炮是戰(zhàn)爭(zhēng)中不可或缺的一員,以其強(qiáng)大而持久的火力支援能力而聞名。火炮是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性動(dòng)力2艦炮結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析學(xué)系統(tǒng)。運(yùn)用非線性有限元軟件,較為準(zhǔn)確的模擬了全炮結(jié)構(gòu)后坐復(fù)進(jìn)過程,得到了炮口部位位移和速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并獲得了發(fā)射過程中關(guān)鍵部位的動(dòng)態(tài)剛強(qiáng)度,并對(duì)搖架2.1有限元模型的建立進(jìn)行了模態(tài)分析。為減小炮口擾動(dòng),對(duì)搖架頸筒進(jìn)行優(yōu)首先使用三維軟件建立簡(jiǎn)化的艦炮模型。該模型只化,在結(jié)構(gòu)質(zhì)量沒有大幅增加的情況下,提高結(jié)構(gòu)的一階保留對(duì)艦炮系統(tǒng)質(zhì)量特性、力學(xué)特性影響顯著的部件。將固有頻率并且改善應(yīng)力分布情況。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化好的模型以在 ABAQUS中劃分網(wǎng)格。針對(duì)結(jié)構(gòu)特分析,驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性點(diǎn),將重點(diǎn)關(guān)注的搖架和身管劃分為非協(xié)調(diào)實(shí)體單元(C3D8I),對(duì)托架和回轉(zhuǎn)臺(tái)劃分減縮殼單元(S3R)。最終1結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本理論網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是用系統(tǒng)的、目標(biāo)定向的過程與方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì),其目的在于尋求既經(jīng)濟(jì)又適用的結(jié)構(gòu)形式以最少的材料、最低的造價(jià)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最佳性能。結(jié)構(gòu)優(yōu)化分為三個(gè)層次:拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化,其中拓?fù)鋬?yōu)化的應(yīng)用更加廣泛,效果也更加明顯。拓?fù)鋬?yōu)化將優(yōu)化結(jié)構(gòu)的拓?fù)滢D(zhuǎn)化為尋求材料的合理分布,達(dá)到使用最少的材料獲取最優(yōu)的力學(xué)性能。拓?fù)鋬?yōu)化的主要方法有:均勻化方法、變厚度法、變密度法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法(ESO)、水平集法( Level set)、獨(dú)立連續(xù)映射方法(ICM)TYH史化作者簡(jiǎn)介:李猛(1986-),男,山東泰安人,碩士研究生,研究方向:車載火箭結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化htp:∥HD.chinajournal.netcnE-mail:zZHD@chainajournal.net.cn《機(jī)械制造與自動(dòng)化》信息技術(shù)李猛,等·艦炮結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化全炮所有部件所用材料均為鋼,彈性模量取210000泊松比取0.3。根據(jù)實(shí)際情況定義各類載荷和邊界條件,按靜平衡、后坐、復(fù)進(jìn)過程定義分析步。2.2結(jié)果分析讀取分析結(jié)構(gòu),提取了炮口位置沿炮膛軸線方向的位移和速度曲線,如圖2、圖3所示。將結(jié)果中的后坐長(zhǎng)、最大后坐速度和整體的曲線形狀與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,表明模擬誤差在5%以內(nèi),較好的模擬了該炮發(fā)射的全過程。圖5U3位移曲線根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和火炮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),考慮通過優(yōu)化搖架頸筒結(jié)構(gòu)達(dá)到減小炮口擾動(dòng)的目的。在計(jì)算結(jié)果中讀取具有代表性的頸筒應(yīng)力圖,如圖6所示。搖架的一階模態(tài)如圖7所示,該圖為在 Hyper Works中進(jìn)行模態(tài)分析的結(jié)圖2U1位移曲線果截圖。圖6頸筒應(yīng)力圖圖3V速度曲線射擊精度是艦炮設(shè)計(jì)中重要的指標(biāo)。彈丸出炮口時(shí),由于炮口振動(dòng)帶給彈丸偏離正確彈道的加速度和速度是影響火炮射擊精度的重要原因。炮口振動(dòng)不可避免,但可以通過對(duì)結(jié)構(gòu)的深人研究,得到合理的減小振動(dòng)的方案。炮口振動(dòng)可以通過炮口位移、速度和加速度確定,這里選擇位移作為炮口振動(dòng)大小的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。圖4圖5分別顯示了炮口區(qū)域在U2,U3方向上的位移曲線,從兩條曲線中可以看出U2方圖7搖架1階模態(tài)向的振動(dòng)幅度是U3方向振動(dòng)幅度的3倍左右。從圖6中可以看出,頸筒的應(yīng)力分布主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn):1)頸筒前半部分的應(yīng)力約為后半部分的1/4;2)頸筒后半部分應(yīng)力較大的部位呈現(xiàn)上下對(duì)稱、左右對(duì)稱的形式。從圖7可知,搖架頸筒是產(chǎn)生一階模態(tài)的位置。根據(jù)頸筒的這種受力和模態(tài)特點(diǎn),可以對(duì)頸筒開展更加深入的優(yōu)化研究,通過優(yōu)化使材料合理分布,并且提高一階固有頻率,達(dá)到和減小炮口振動(dòng)的目的3艦炮結(jié)構(gòu)優(yōu)化中國(guó)煤化工對(duì)優(yōu)化三要素CNMHG有頻率最圖4U2位移曲線大;約束條件為體積分?jǐn)?shù)不超迂5%;計(jì)變量為頸筒壁(下轉(zhuǎn)第125頁(yè)Machine Building a Automation, Dec 2014, 43(6): 116-117, 125信息技術(shù)曹霞,等·拖拉機(jī)變速箱體鉆螺紋底孔夾具有限元分析AN寬,當(dāng)外載荷頻率為135.38、178.36、205.04、215.05和360.75Hz時(shí),夾具才發(fā)生共振現(xiàn)象,在零件加工工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避開上述頻率參考文獻(xiàn)[Il]盧秉桓機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社2005,107-109[2]焦小明,孫慶群機(jī)械加工技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社2005,177圖13整體第五階振型云圖[3]洪如瑾 UGNXCAD快速入門指導(dǎo)[M].北京:清華大學(xué)出版4]尹飛鴻有限元法基本原理及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版4結(jié)語(yǔ)社,2010[5]文國(guó)治,李正良結(jié)構(gòu)分析中的有限元法[M].武漢:武漢理對(duì)拖拉機(jī)變速箱體鉆螺紋底孔夾具進(jìn)行了靜態(tài)和模工大學(xué)出版社,2010.態(tài)分析,得到了電磁屏蔽門懸掛軌道變形、應(yīng)力和固有頻61張朝輝 ANSYS0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M.北京機(jī)械工業(yè)出版,2008率。從有限元模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),總變形為0.087728mm,滿足精度要求。該結(jié)構(gòu)的固有頻率范圍較收稿日期:2013-11-19AAAAAAAAAAAAAAMAAAAAAAAAAAAAAA(上接第117頁(yè)算驗(yàn)證了優(yōu)化的有效性。厚,在 OptiStruct中設(shè)置壁厚變化范圍為15mm~38.5mm。進(jìn)行完優(yōu)化過程后,在 Hyper View中查看優(yōu)化分析結(jié)果如圖8所示。結(jié)果改進(jìn)方案如圖9所示圖8優(yōu)化分析結(jié)果04圖10U2位移曲線參考文獻(xiàn)[1]楚志遠(yuǎn),楊國(guó)來(lái),陳運(yùn)生.自行火炮非線性有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真方法研究[冂].兵工學(xué)報(bào),2001,22(2)圖9結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案[2]楚志遠(yuǎn),楊國(guó)來(lái),陳運(yùn)生,模擬火炮后坐運(yùn)動(dòng)的非線性彈簧阻尼單元[J.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2001,18(3):121-124使用修改后的模型進(jìn)行全炮有限元分析,獲取炮口[3]張文元,費(fèi)紅姿連尉安,等. ABAQUS動(dòng)力學(xué)有限元分析指U2方向結(jié)果,如圖10所示。對(duì)比圖4,可知炮口在該方向南[M].香港:中國(guó)圖書出版社,2005的振動(dòng)位移有了大幅減小[4]王鈺棟. HyperMesh& Hyper View應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.結(jié)論[5]宏清泉. Optistruct& HyperStudy理論基礎(chǔ)與高級(jí)實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出本文實(shí)現(xiàn)了某艦炮后坐部分大位移的發(fā)射過程動(dòng)力[6]張勝蘭,鄭冬黎,中國(guó)煤化工設(shè)計(jì)技術(shù)學(xué)模擬仿真,獲得了炮口后坐復(fù)進(jìn)位移和速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)以[M].北京:機(jī)械CNMHG及頸筒的典型應(yīng)力分布、模態(tài)振型等。為減小炮口擾動(dòng)對(duì)搖架頸筒進(jìn)行優(yōu)化,得到了優(yōu)化結(jié)構(gòu),對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的計(jì)收稿日期:2013-08-21Machine Building a Automation, Dec 2014, 43(6): 122-125