航空彈藥彈體結構強度分析及優化設計

　　摘要為降低航空彈藥彈體結構質量，提升產品綜合性能，對彈體結構進行輕量化優化設計。基于靜力等效韌度原則，分析結構傳力路徑，應用形狀優化及自由形狀優化設計方法，改變承力位置局部結構，采用鋁合金材料替換高強度鋼實現結構輕量化。提出適用于一般工程應用的減重優化設計思路，在高應力區增加材料尺寸進行應力補償，低應力區進行尺寸縮減，并在局部結構突變位置增加倒角等措施以降低應力集中，材料替換后保證彈體結構可靠性。經過優化，彈翼安裝結構質量由6.6kg降至2.6kg，降幅達60%，同時可減輕配重約4.7kg，效果顯著。

　　關鍵詞彈體結構;輕量化;結構優化;等效韌度;自由形狀優化

　　對于遠程航空彈藥而言，在同等質量條件下，彈體結構質量的減少，可增加有效載荷、提升飛行速度、增加飛行距離。在保證強度及剛度的基礎上，彈體質量降低，可提升產品控制能力及產品射程，獲得更好的操縱性和動力性，提高武器總體性能。彈體結構輕量化設計是航空彈藥總體結構設計研究的關鍵技術及熱點問題[1-3]。

　　實現彈體結構輕量化的途徑主要包括輕量化結構優化設計、輕質材料的開發研究及先進制造工藝研究[4]。在彈體輕量化結構優化設計方面，科研及工程設計人員做了相關研究工作，張亮亮[5]通過多學科集成設計對導彈各學科開展集成設計，實現導彈起飛質量最輕的目標，并摸索出一套工程化的應用方法;高宗戰等[6]應用工程算法對舵面結構進行三向剛度的等代設計，開展復合材料替代金屬材料的優化設計，通過優化，結構質量減輕一半左右，還有其他工程設計人員基于不同優化方法對導彈及其相關結構進行了優化，達到優化目標[7-9]。

　　在航空彈藥彈體結構設計過程中，彈翼安裝結構最大應力超過700MPa，其結構材料只能選用高強度鋼，導致結構質量偏重，并且為了調整質心位置，需要在彈體前部增配重，彈體消極質量增加較多。以往彈體結構設計過程中，對射程要求不高，質量指標較為寬松，通常以彈體結構通過靜力試驗考核為標準，忽略了彈體結構輕量化優化設計，甚至會影響武器總體性能的發揮。

　　本文嘗試用鋁合金材料代替高強度鋼，采用等效靜力韌度設計原則，在保證力學性能的前提下，通過分析傳力路徑，基于形狀優化及自由形狀優化方法進行結構優化設計，保證彈體結構強度及剛度，解決產品設計過程中結構質量過重問題，實現彈體結構輕量化。

　　優化分析理論結構優化技術是當前計算機輔助工程分析設計發展的熱點，在學術研究方面主要變密度法、均勻化法、水平集法及各種優化準則，優化方法主要有拓撲優化、形貌優化、自由尺寸優化、尺寸優化、形狀優化及自由形狀優化，其中前三種優化方式主要應用在概念設計階段，后三種優化方式則適用于詳細設計階段[10-11]。本文涉及的優化過程屬于詳細設計階段，采用直接改變有限元網格單元節點位置優化產品幾何形狀的形狀優化及自動確定所選優化區域的最佳結構形狀的自由形狀優化兩種優化方法相結合的方式，確定最終優化方案。

　　1.1近似模型擬合

　　直接對有限元模型進行優化，那么在進行每次迭代時都將進行多次求解計算，計算量很大。如果所采用的有限元模型是隱式的，還需進行顯式近似模型轉化。得到顯式近似模型的方法是利用靈敏度信息對設計響應進行展開。最優解的方法可以采用直接法和對偶法兩大類方法。

　　1.2收斂準則

　　優化問題求解收斂的判斷標準是連續兩次迭代的目標值小于收斂容差，用戶可自己確定收斂容差，對于一般問題也可以使用系統默認的收斂容差，容差值為0.5%，此外，還可以通過限制迭代次數來完成優化問題計算，用戶也可自己設定迭代次數，系統默認的最多迭代次數為30，當達到30次迭代時，系統自動結束優化迭代，完成優化。優化求解完成后，工程師們最關心的問題就是找到的最優解是否是全局最優解。實際上，很難找到滿足全部要求的全局最優解，而在工程應用中，全局最優解往往難以找到，只要滿足工程需要就可以認為是最優解。

　　2優化問題描述

　　在某型航空彈藥產品結構設計過程中，其彈翼安裝結構應力水平較高，為滿足強度及剛度要求，其原始設計使用的是高強度鋼框結構。

　　2.1問題分析及優化思路

　　近年來輕質合金在彈體所用材料中比例不斷上升，特別是鋁合金的應用更具前景，采用先進的設計方法和理論計算，“以鋁代鋼”是彈體結構減重的重要措施。因此，本文中彈體結構優化思路基于靜力等效韌度原則，通過分析傳力路徑，在不顯著增加質量的前提下，合理優化結構尺寸，充分發揮鋁合金材料機械性能，通過材料替換及結構優化大幅降低結構質量。

　　本文所用的超高強度鋼材料為35CrMnSiA，材料密度為7850kg/m3，屈服強度為835MPa，鋁合金材料2A12，材料密度為2800kg/m3，屈服強度為275MPa。在優化過程中發現，此結構設計到裝配定位及約束較多，且設計階段已處于詳細設計階段，因此本文采用的優化方式為形狀優化及自由形狀優化。

　　通過分析，發現結構應力較大位置處于翼軸安裝角附近區域，而兩個翼軸安裝角之間的區域應力并不大，可以適當減少材料使用。給出原始結構中應力范圍超出275MPa的區域，高于此應力值的區域(有顏色區域，高應力區)需要優化傳力路徑及加強，低于此應力值的區域(灰色區域，低應力區)可以適當削弱，從而達到充分利用材料的目的。

　　2.2高應力區整體優化

　　為保證結構滿足其使用要求，需先降低高應力區應力，降低高應力區應力是能否完成結構優化的關鍵。優化目標的實現過程需要多次循環和迭代。根據其應力結果及傳力路徑分析，首先需在高應力區填補材料，優化結果表明其應力峰值下降顯著。應力峰值從719MPa下降到357MPa，高應力區范圍急劇減小。

　　2.3結構剛度優化

　　結構設計需要在滿足強度的同時保證材料具有足夠的剛度，優化前后翼片安裝框位移響應及艙體整體位移響應云圖。優化前艙體整體及翼片安裝框最大位移均發生在翼片安裝框翼軸安裝區域附近，其值為1.45mm。優化后位移響應最大值位置沒有發生變化，但其數值有所降低，大小為0.69mm�？梢�，優化后結構不僅在強度上滿足使用要求，其剛度也有所提高，滿足使用要求。

　　3靜力試驗驗證為保證彈體結構可靠性，航空彈藥彈體結構必須經過靜力試驗考核。將優化后鋁合金彈體結構進行裝配，并進行靜力試驗驗證。根據有限元計算結果在結構應力較大位置處黏貼應變片以確定其應力水平并驗證有限元仿真的準確性，靜力試驗與仿真應力結果對比。

　　4結論

　　優化后結構件質量由6.6kg降至2.6kg，減重總重4.0kg，質量降低幅度達60%。同時，可減輕配重約4.7kg，因此，通過結構優化，共降低消極質量8.7kg，減重效果明顯。同時，在后續螺接制孔及安裝過程中，鋁合金材料提高產品的工藝性能及裝配性能。通過結構優化分析過程還得到可供工程設計中參考的相關結論：

　　1)結構優化分析首先應對結構受力形式及應力結果進行分析，其結構應力范圍整體如處于許用應力的70%～80%，則可認為此結構材料利用率較高，可優化空間不大。如果結構局部應力較高，甚至超出許用應力，但是還有較大部分低應力區，則此結構存在優化空間，可分析結構傳力路徑后進行優化。2)優化過程中，可將結構劃分為高應力區及低應力區，針對不同應力區域使用不同優化策略。高應力區主要考慮傳力路徑填補材料，改變高應力區結構特征;低應力區可通過自由形狀優化設置優化目標，降低結構厚度，達到充分利用材料的目的。

　　航空材料論文投稿期刊：《宇航學報》(月刊)創刊于1980年，由中國宇航學會主辦。本刊立足于反映中國宇航界在理論、技術和前瞻性研究中所取得的最新科技成果,促進國內外學術交流,為培養科技人才，發展中國航天事業和實現科技現代化服務。

　　3)彈體結構中受力較大位置，應避免結構形狀突變，避免凹槽、截面積突變、尖角及切口等，減少產生應力集中，改善應力分布�？稍诶饨俏恢眉庸こ傻菇�，倒角可以有效的避免結構突變產生的應力集中，降低應力響應幅值，提高結構強度性能及疲勞壽命，在加工制造過程中，倒角也可避免對裝配人員的劃傷。4)優化過程是系統工程，優化過程中不僅需要考慮結構本身的強度剛度等性能，還要考慮產品加工工藝、裝配過程、加工制造成本等多方面因素。

　　參考文獻

　　[1]任懷宇,張鐸.總體結構優化在導彈總體設計中應用[J].宇航學報,2005(S1):100-105.RENHuaiyu,ZHANGDuo.Theapplicationofsystemsstructuresoptimizationinmissilesystemdesign[J].JournalofAstronautics,2005(S1):100-105.(inChinese)

　　[2]羅楚養,孫毓凱,王文博,等.空空導彈結構技術的研究進展[J].航空兵器,2019,26(5):1-10.LUOChuyang,SUNYukai,WANGWenbo,etal.Researchprogressonstructuretechnologyofair-to-airmissile[J].AeroWeaponry,2019,26(5):1-10.(inChinese)

　　[3]陳世鋒,湯曉云,姚達斌,等.PPS復合材料在空空導彈導引部件承力結構件上的應用研究[J].航空兵器,2020,27(2):97-102.

　　作者：徐智強，章麗麗，吳會菊，徐國徽

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