兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (2): 577-590.doi: 10.12382/bgxb.2022.0183
万子平, 谭若愚, 郑杰基, 任广安, 谢馨, 范大鹏*()
收稿日期:
2022-07-06
上线日期:
2022-07-11
通讯作者:
基金资助:
WAN Ziping, TAN Ruoyu, ZHENG Jieji, REN Guang'an, XIE Xin, FAN Dapeng*()
Received:
2022-07-06
Online:
2022-07-11
摘要:
针对武器站模块化基座更高的多工况适应性和动态性能指标要求,提出并验证一种面向武器站模块化基座的多工况与静动态筋壁结构高效设计方法。推导了多工况刚度和多阶模态下的综合目标优化函数,分别利用层次分析法和线性加权法确定多工况刚度权重和多阶模态权重;针对综合目标优化函数下计算消耗大的问题,分别提出基于超单元的多工况与静动态拓扑优化方法和基于灵敏度分析法的筋壁结构响应面设计及寻优方法,并分别利用上述方法将模块化基座的拓扑优化时间和响应面试验设计时间缩减了92%和83.7%。校核验证结果表明,所设计的武器站模块化基座在满足各项性能指标的基础上,不仅能适应多种工况,而且有良好的静动态特性,对武器站产品的可重构高效设计有一定的指导价值。
中图分类号:
万子平, 谭若愚, 郑杰基, 任广安, 谢馨, 范大鹏. 面向武器站模块化基座的多工况与静动态筋壁结构高效设计方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(2): 577-590.
WAN Ziping, TAN Ruoyu, ZHENG Jieji, REN Guang'an, XIE Xin, FAN Dapeng. Efficient Design Method of Multi-condition and Static and Dynamic Reinforced Wall Structure for Modular Base of Weapon Station[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(2): 577-590.
子结构 | 失效形式 |
---|---|
轴压壁 | 屈曲失稳,弯剪破坏 |
抗弯壁 | 拉伸破坏,弯剪破坏 |
防扭壁 | 弯剪破坏,扭剪破坏 |
表1 子结构的失效形式
Table 1 Failure form of substructures
子结构 | 失效形式 |
---|---|
轴压壁 | 屈曲失稳,弯剪破坏 |
抗弯壁 | 拉伸破坏,弯剪破坏 |
防扭壁 | 弯剪破坏,扭剪破坏 |
子结构 | 优化方法 |
---|---|
轴压壁 | 基于超单元的多工况和动静态拓扑优化方法 |
抗弯壁 | 基于超单元的多工况和动静态拓扑优化方法 |
防扭壁 | 形状优化方法(只做实现,不做分析) |
表2 子结构优化方法
Table 2 Substructure optimization method
子结构 | 优化方法 |
---|---|
轴压壁 | 基于超单元的多工况和动静态拓扑优化方法 |
抗弯壁 | 基于超单元的多工况和动静态拓扑优化方法 |
防扭壁 | 形状优化方法(只做实现,不做分析) |
载荷类型 | 筋壁结构 | 筋结构作用 | 壁结构作用 | 筋条间距 |
---|---|---|---|---|
小载荷 | 薄壁高筋 | 主承力单元 | 结构外形 | 小 |
中载荷 | 中壁中筋 | 主承力单元 | 次承力单元 | 中 |
大载荷 | 连续壁厚 | 承力单元 | 承力单元 | 大 |
表3 基于载荷水平的筋壁形式
Table 3 Form of reinforced wall based on load level
载荷类型 | 筋壁结构 | 筋结构作用 | 壁结构作用 | 筋条间距 |
---|---|---|---|---|
小载荷 | 薄壁高筋 | 主承力单元 | 结构外形 | 小 |
中载荷 | 中壁中筋 | 主承力单元 | 次承力单元 | 中 |
大载荷 | 连续壁厚 | 承力单元 | 承力单元 | 大 |
载荷来源 | 重力过载冲击 | 后坐力冲击/N |
---|---|---|
重载机枪组件 | 170.91kg×9×9.81m/s2 | 6000 |
轻载机枪组件 | 29.1kg×9×9.81m/s2 | 362 |
左耳轴支架 | 25kg×9×9.81m/s2 | |
右耳轴支架 | 25kg×9×9.81m/s2 |
表4 重力过载冲击和武器后坐力冲击
Table 4 Gravity overload impact and weapon recoil impact
载荷来源 | 重力过载冲击 | 后坐力冲击/N |
---|---|---|
重载机枪组件 | 170.91kg×9×9.81m/s2 | 6000 |
轻载机枪组件 | 29.1kg×9×9.81m/s2 | 362 |
左耳轴支架 | 25kg×9×9.81m/s2 | |
右耳轴支架 | 25kg×9×9.81m/s2 |
功能区 | 最大仰角击发 | 水平击发 |
---|---|---|
左功能区击发 | (α1)0.07 | (α2)0.13 |
中功能区击发 | (α3)0.13 | (α4)0.34 |
右功能区击发 | (α5)0.07 | (α6)0.13 |
表5 工况权重
Table 5 Working condition weight
功能区 | 最大仰角击发 | 水平击发 |
---|---|---|
左功能区击发 | (α1)0.07 | (α2)0.13 |
中功能区击发 | (α3)0.13 | (α4)0.34 |
右功能区击发 | (α5)0.07 | (α6)0.13 |
1阶模态 | 2阶模态 | 3阶模态 |
---|---|---|
0.6 | 0.3 | 0.1 |
表6 模态权重
Table 6 Modal weight
1阶模态 | 2阶模态 | 3阶模态 |
---|---|---|
0.6 | 0.3 | 0.1 |
模态 阶数 | 原有承力构型/ Hz | 缩聚承力构型/ Hz | 偏差百分比 绝对值/% |
---|---|---|---|
1 | 121.58 | 111.96 | 0.79 |
2 | 173.62 | 174.94 | 0.75 |
3 | 275.67 | 283.75 | 2.85 |
4 | 482.82 | 455.74 | 5.60 |
5 | 499.06 | 476.53 | 4.51 |
6 | 810.52 | 857.52 | 5.48 |
表7 模态精度对比
Table 7 Modal accuracy comparison
模态 阶数 | 原有承力构型/ Hz | 缩聚承力构型/ Hz | 偏差百分比 绝对值/% |
---|---|---|---|
1 | 121.58 | 111.96 | 0.79 |
2 | 173.62 | 174.94 | 0.75 |
3 | 275.67 | 283.75 | 2.85 |
4 | 482.82 | 455.74 | 5.60 |
5 | 499.06 | 476.53 | 4.51 |
6 | 810.52 | 857.52 | 5.48 |
静态 工况 | 应变 能/J | 应变 能/J | 应变 能/J | 模态 阶数 | 固有 频率/ Hz | 固有 频率/ Hz | 固有 频率/ Hz |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.092 | 0.262 | 0.123 | 1 | 59.64 | 79.25 | 74.78 |
2 | 0.086 | 0.257 | 0.119 | ||||
3 | 0.152 | 0.418 | 0.181 | 2 | 86.57 | 108.88 | 102.63 |
4 | 0.161 | 0.376 | 0.184 | ||||
5 | 0.092 | 0.262 | 0.123 | 3 | 125.87 | 129.56 | 131.94 |
6 | 0.086 | 0.257 | 0.119 |
表8 优化方法对比
Table 8 Comparison of optimization methods
静态 工况 | 应变 能/J | 应变 能/J | 应变 能/J | 模态 阶数 | 固有 频率/ Hz | 固有 频率/ Hz | 固有 频率/ Hz |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.092 | 0.262 | 0.123 | 1 | 59.64 | 79.25 | 74.78 |
2 | 0.086 | 0.257 | 0.119 | ||||
3 | 0.152 | 0.418 | 0.181 | 2 | 86.57 | 108.88 | 102.63 |
4 | 0.161 | 0.376 | 0.184 | ||||
5 | 0.092 | 0.262 | 0.123 | 3 | 125.87 | 129.56 | 131.94 |
6 | 0.086 | 0.257 | 0.119 |
拓扑优化类型 | 单元数量 | 节点数量 | 计算时长 | 迭代步数 |
---|---|---|---|---|
全模型拓扑优化 | 73213 | 283638 | 46h5min | 176 |
超单元拓扑优化 | 48294 | 148119 | 4h42min | 59 |
表9 计算消耗对比
Table 9 Comparison of computational cost
拓扑优化类型 | 单元数量 | 节点数量 | 计算时长 | 迭代步数 |
---|---|---|---|---|
全模型拓扑优化 | 73213 | 283638 | 46h5min | 176 |
超单元拓扑优化 | 48294 | 148119 | 4h42min | 59 |
静态工况 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
---|---|---|---|---|---|---|
最大应力/MPa | 11.63 | 12.67 | 14.18 | 12.17 | 11.63 | 12.67 |
表10 壁结构最大应力
Table 10 Maximum stress of wall structure
静态工况 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
---|---|---|---|---|---|---|
最大应力/MPa | 11.63 | 12.67 | 14.18 | 12.17 | 11.63 | 12.67 |
尺寸 | 筋壁结构 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
筋7宽 | 壁1厚 | 筋7~9高 | 筋1宽 | 筋2宽 | 筋5宽 | 筋6宽 | 筋1~6高 | |
优化前尺寸/mm | 0.025 | 0.008 | 0.03 | 0.025 | 0.025 | 0.025 | 0.025 | 0.025 |
尺寸后尺寸/mm | 0.03 | 0.01 | 0.02 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.03 |
表11 优化参数
Table 11 Optimization parameters
尺寸 | 筋壁结构 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
筋7宽 | 壁1厚 | 筋7~9高 | 筋1宽 | 筋2宽 | 筋5宽 | 筋6宽 | 筋1~6高 | |
优化前尺寸/mm | 0.025 | 0.008 | 0.03 | 0.025 | 0.025 | 0.025 | 0.025 | 0.025 |
尺寸后尺寸/mm | 0.03 | 0.01 | 0.02 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.03 |
指标 | 静态工况 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
优化前应变能/J | 0.042 | 0.044 | 0.073 | 0.074 | 0.042 | 0.044 |
优化后应变能/J | 0.068 | 0.071 | 0.124 | 0.125 | 0.068 | 0.071 |
模态阶数 | 1 | 2 | 3 | |||
优化前固有 频率/Hz | 121.58 | 173.62 | 267.15 | 优化前 质量/kg | 47.334 | |
优化后固有 频率/Hz | 91.50 | 115.57 | 176.70 | 优化后 质量/kg | 33.946 |
表12 优化前后指标
Table 12 Indexes before and after optimization
指标 | 静态工况 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
优化前应变能/J | 0.042 | 0.044 | 0.073 | 0.074 | 0.042 | 0.044 |
优化后应变能/J | 0.068 | 0.071 | 0.124 | 0.125 | 0.068 | 0.071 |
模态阶数 | 1 | 2 | 3 | |||
优化前固有 频率/Hz | 121.58 | 173.62 | 267.15 | 优化前 质量/kg | 47.334 | |
优化后固有 频率/Hz | 91.50 | 115.57 | 176.70 | 优化后 质量/kg | 33.946 |
加速度和后坐力冲击 | 时间/s | ||
---|---|---|---|
0.0015 | 0.007 | 0.0325 | |
重力过载加速度/(m·s-2) | 8.82 | 101.43 | 101.43 |
后坐力冲击/N | 250 | 6000 | -1125 |
表13 极限冲击时域激励
Table 13 Time domain excitation of limit impact
加速度和后坐力冲击 | 时间/s | ||
---|---|---|---|
0.0015 | 0.007 | 0.0325 | |
重力过载加速度/(m·s-2) | 8.82 | 101.43 | 101.43 |
后坐力冲击/N | 250 | 6000 | -1125 |
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doi: 10.1088/1742-6596/1986/1/012094 |
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