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(jī)動(dòng)性和高精度是火炮武器的重要發(fā)展方向，從而對(duì)火炮的剛度、強(qiáng)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(xué)特征，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法實(shí)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(jì)理論難以滿足這種發(fā)展需求，因此開(kāi)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(yīng)用非線性有限元、數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)等理論與方法對(duì)火炮結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)、發(fā)射過(guò)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(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行研究。
　　采用有限元法對(duì)不同射擊工況下炮架關(guān)鍵部件的剛強(qiáng)度進(jìn)行了分析，找出了結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)搖架進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效提高了搖架的剛強(qiáng)度。針對(duì)上架剛度較差的問(wèn)題，提出了一種變后坐長(zhǎng)火炮上架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，以此對(duì)上架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多射角工況條件下的優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出了上架結(jié)構(gòu)的最佳外形輪廓和加強(qiáng)筋的最佳布局，在此基礎(chǔ)上采用尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)上架結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，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(qiáng)度。
　　建立了火炮發(fā)射過(guò)程的非線性有限元?jiǎng)恿W(xué)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(diǎn)考慮了身管與襯瓦、高低機(jī)齒輪與齒弧、座盤(pán)與地面間的接觸碰撞有限元建模。對(duì)火炮進(jìn)行了有限元模態(tài)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。采用隱式積分算法對(duì)火炮發(fā)射過(guò)程的后坐位移、炮口角速度和搖架應(yīng)變等火炮動(dòng)態(tài)響應(yīng)量進(jìn)行了計(jì)算，并通過(guò)對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所建立的火炮非線性有限元?jiǎng)恿W(xué)模型的正確性。
　　通過(guò)非線性有限元?jiǎng)恿W(xué)數(shù)

4、值計(jì)算，分析了火炮發(fā)射載荷沿?fù)u架襯瓦、高低機(jī)齒弧和耳軸等關(guān)鍵部件傳遞的力學(xué)規(guī)律，并與傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，指出了傳統(tǒng)方法存在的缺點(diǎn)和不足。分析了不同射角工況下火炮的動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化規(guī)律和分布情況，結(jié)果表明該火炮滿足剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)及滾子與滾道間大規(guī)模接觸碰撞的火炮座圈精細(xì)化有限元模型，對(duì)彈塑性材料模型和線彈性材料模型下的座圈非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析，揭示了座圈滾子的應(yīng)力

5、、接觸應(yīng)力和接觸力的分布和變化規(guī)律。
　　通過(guò)數(shù)值計(jì)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(duì)炮口振動(dòng)的影響。通過(guò)對(duì)復(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)的不同固定方式和布置位置下的炮口振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，獲得了反后坐裝置的結(jié)構(gòu)布置對(duì)炮口振動(dòng)的影響規(guī)律。通過(guò)對(duì)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(jìn)行了關(guān)于炮口振動(dòng)的靈敏度分析，獲得了火炮主要總體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)炮口振動(dòng)的影響規(guī)律。
　　采用最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)

6、行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合非線性有限元?jiǎng)恿W(xué)分析獲得了炮口振動(dòng)的樣本數(shù)據(jù)，以此建立了火炮結(jié)構(gòu)的多項(xiàng)式響應(yīng)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(duì)比分析了不同火炮結(jié)構(gòu)近似模型的適應(yīng)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(yù)測(cè)精度。建立了針對(duì)炮口振動(dòng)優(yōu)化的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)了火炮結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地減小了炮口振動(dòng)。優(yōu)化后，炮口振動(dòng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算