大口徑火炮發(fā)射載荷傳遞規(guī)律及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.pdf

1、大威力、高機動性和高精度是火炮武器的重要發(fā)展方向，從而對火炮的剛度、強度、速度和精度提出了更高的要求，亟需掌握發(fā)射載荷沿火炮關(guān)鍵部件傳遞的力學特征，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法實現(xiàn)發(fā)射載荷傳遞規(guī)律的有效控制。傳統(tǒng)的火炮設(shè)計理論難以滿足這種發(fā)展需求，因此開展大口徑火炮發(fā)射載荷傳遞規(guī)律及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究具有重要的意義。本文以此為研究背景，應用非線性有限元、數(shù)值計算、現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計等理論與方法對火炮結(jié)構(gòu)剛強度優(yōu)化設(shè)計、發(fā)射過程非線性有限元建模、發(fā)射載荷傳

2、遞規(guī)律以及發(fā)射動力學優(yōu)化設(shè)計等問題進行研究。
　　采用有限元法對不同射擊工況下炮架關(guān)鍵部件的剛強度進行了分析，找出了結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。對搖架進行了改進設(shè)計，有效提高了搖架的剛強度。針對上架剛度較差的問題，提出了一種變后坐長火炮上架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法，以此對上架結(jié)構(gòu)進行了多射角工況條件下的優(yōu)化設(shè)計，找出了上架結(jié)構(gòu)的最佳外形輪廓和加強筋的最佳布局，在此基礎(chǔ)上采用尺寸優(yōu)化設(shè)計對上架結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計，獲得了上架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，顯著提高了上架

3、結(jié)構(gòu)的剛強度。
　　建立了火炮發(fā)射過程的非線性有限元動力學模型，研究了火炮結(jié)構(gòu)非線性連接關(guān)系的有限元建模方法，重點考慮了身管與襯瓦、高低機齒輪與齒弧、座盤與地面間的接觸碰撞有限元建模。對火炮進行了有限元模態(tài)分析和試驗驗證。采用隱式積分算法對火炮發(fā)射過程的后坐位移、炮口角速度和搖架應變等火炮動態(tài)響應量進行了計算，并通過對比數(shù)值計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果驗證了所建立的火炮非線性有限元動力學模型的正確性。
　　通過非線性有限元動力學數(shù)

4、值計算，分析了火炮發(fā)射載荷沿搖架襯瓦、高低機齒弧和耳軸等關(guān)鍵部件傳遞的力學規(guī)律，并與傳統(tǒng)方法的計算結(jié)果進行了對比，指出了傳統(tǒng)方法存在的缺點和不足。分析了不同射角工況下火炮的動態(tài)應力變化規(guī)律和分布情況，結(jié)果表明該火炮滿足剛強度設(shè)計要求。采用通用接觸算法和多線性各向同性硬化彈塑性材料模型，建立了計及滾子與滾道間大規(guī)模接觸碰撞的火炮座圈精細化有限元模型，對彈塑性材料模型和線彈性材料模型下的座圈非線性動態(tài)響應進行了對比分析，揭示了座圈滾子的應力

5、、接觸應力和接觸力的分布和變化規(guī)律。
　　通過數(shù)值計算研究了反后坐裝置的結(jié)構(gòu)布置和火炮總體結(jié)構(gòu)參數(shù)對炮口振動的影響。通過對復進機和制退機的不同固定方式和布置位置下的炮口振動響應進行對比分析，獲得了反后坐裝置的結(jié)構(gòu)布置對炮口振動的影響規(guī)律。通過對后坐部分偏心距、炮口制退器質(zhì)量和前襯瓦位置等總體結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了關(guān)于炮口振動的靈敏度分析，獲得了火炮主要總體結(jié)構(gòu)參數(shù)對炮口振動的影響規(guī)律。
　　采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計方法對設(shè)計變量進

6、行了試驗設(shè)計，結(jié)合非線性有限元動力學分析獲得了炮口振動的樣本數(shù)據(jù)，以此建立了火炮結(jié)構(gòu)的多項式響應面模型、Kriging模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對比分析了不同火炮結(jié)構(gòu)近似模型的適應性，結(jié)果表明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火炮結(jié)構(gòu)近似模型具有較高的預測精度。建立了針對炮口振動優(yōu)化的目標函數(shù)，結(jié)合火炮結(jié)構(gòu)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和遺傳算法實現(xiàn)了火炮結(jié)構(gòu)動力響應優(yōu)化設(shè)計，有效地減小了炮口振動。優(yōu)化后，炮口振動的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測結(jié)果與有限元計算