典型火炮结构静动力分析与轻量化设计

论文摘要

传统火炮设计主要靠设计师的经验和已有的设计规范,因此在火炮结构设计中存在很多理性因素不足的问题,造成火炮结构笨重,射击精度不达标等问题。结构优化设计的理论和方法可以提供一种全新的理想的设计工具,能够在结构减重的同时提高结构的性能,从而在火炮结构设计领域得到了广泛应用。本文分析了一典型火炮结构的静动态性能,研究了火炮结构轻量化设计的问题。具体的研究工作如下：1、火炮总体结构在静力载荷下强度和刚度性能的有限元分析。采用有限元技术,分析了一典型火炮结构的动静态特性,给出了整体应力和位移分布。计算结果表明：托架是整个火炮传力的关键部件,后坐力主要通过托架内外侧面板将力传递到底座；火炮整体应力和位移水平比较低,火炮结构安全系较大,结构存在很大的减重空间。2、火炮托架结构轻量化设计。现有火炮结构笨重,造成机动性、灵活性差。本文以典型火炮主要承力结构托架为研究对象,结合工程实际,成功将拓扑优化技术应用于火炮托架的轻量化设计中,得到了新的托架加筋的拓扑结构,根据新拓扑结构获得了托架结构新构型。以此为基础,利用尺寸优化重新优化了新结构的加筋尺寸。优化后的结构具有所要求的刚度的前提下实现了结构减重。3、火炮整体结构振动特性分析与前支架优化。针对炮口振动剧烈造成的火炮射击精度低的问题,对火炮射击时的振动特性进行了仿真模拟,得到了炮口的振动特性曲线。研究了前支点位置和前支架刚度对炮口振动幅值的影响,绘制了炮口最大振幅随前点位置和前支架刚度变化的曲线。通过参数优化寻找到符合设计要求的前支点位置和前支架板厚,成功实现了抑制炮口振幅、提高射击精度的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 火炮优化设计的研究现状和进展
• 1.2 结构优化的研究现状
• 1.3 拓扑优化研究综述
• 1.4 本文研究内容
• 2 火炮结构的静力特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 有限元基本理论
• 2.3 火炮结构模型介绍
• 2.4 火炮有限元分析结果
• 2.5 小结
• 3 火炮结构轻量化设计
• 3.1 引言
• 3.2 拓扑优化基本方法
• 3.3 优化算法
• 3.4 火炮托架的拓扑优化
• 3.4.1 托架的拓扑问题描述
• 3.4.2 托架拓扑优化求解
• 3.4.3 托架创新构型及其尺寸优化
• 3.5 总体性能验证
• 3.6 小结
• 4 火炮动力分析及其前支架优化
• 4.1 引言
• 4.2 结构动力学基本理论
• 4.3 模型简化
• 4.4 约束和载荷施加
• 4.5 振动分析
• 4.6 前支架的优化
• 4.7 总结与结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢