迫击炮座钣的结构分析与优化设计

论文摘要

本文应用非线性有限元理论和结构优化设计理论,研究迫击炮座钣置于刚性地面、中硬土地面上的有限元分析方法与结构优化设计方法。迫击炮在刚性支撑、土壤支撑两种支撑条件下射击时,座钣的受力情况差别很大。本文根据座钣在不同类型地面上的受力特点,分别研究了两种支撑条件下的有限元模型。模拟土壤支撑条件时,土壤-座钣的贴合面上定义带摩擦的接触,模拟座钣结构和支撑土壤的相互作用。用有限元与无限元耦合模型模拟半无限空间体土壤的支撑条件。采用上述方法,较真实地反映了迫击炮在土壤上射击时座钣的应力和变形状态。借助于CAE软件平台,对有限元模型进行刚强度分析,发现了座钣局部结构强度不足的缺陷。合理简化座钣的几何模型,采用二次开发编程语言实现了座钣的参数化有限元建模。根据座钣的结构形式,初步确定座钣结构的设计参数及其取值上下限;建立基于Pareto最优概念的座钣多目标结构优化数学模型,对优化模型实施初步优化,并对设计参数进行适当筛选;对调整后的优化模型进行全面优化,取得满意的优化结果。按优化后的模型参数改进原座钣得到优化后座钣实体结构模型,并对优化后的座钣进行有限元结构刚强度校验。由分析结果可知,优化后座钣的最大应力值比优化前有了大幅度的降低,且重量也减轻了,从而证明了本文采取的优化方法的可行性与实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 迫击炮座钣研究的进展
• 1.2.2 结构优化设计的进展
• 1.3 本文的研究内容和方法
• 2 土力学与有限元理论方法
• 2.1 概述
• 2.2 土力学基本理论
• 2.2.1 土的物理性质指标与工程分类
• 2.2.2 土的动力性质
• 2.2.3 土的本构关系
• 2.3 有限元法中的接触计算
• 2.3.1 接触界面的描述
• 2.3.2 接触面间的相互作用
• 2.3.3 接触方程的求解
• 2.4 无限元理论
• 2.4.1 无限元原理
• 2.4.2 衰减无限元
• 2.4.3 映射无限元
• 2.5 本章小结
• 3 座钣的有限元建模与分析
• 3.1 概述
• 3.2 座钣刚性支撑下的有限元建模
• 3.2.1 计算模型的建立
• 3.2.2 网格划分与接触模拟
• 3.2.3 边界条件与载荷
• 3.3 座钣土壤支撑下的有限元建模
• 3.3.1 计算模型
• 3.3.2 无限元边界支撑条件
• 3.3.3 土壤本构模型
• 3.3.4 接触模拟与载荷施加
• 3.4 计算结果与分析
• 3.4.1 座钣刚性支撑下的计算结果
• 3.4.2 座钣土壤支撑下的计算结果
• 3.4.3 分析与结论
• 3.5 本章小结
• 4 结构优化设计理论与方法
• 4.1 概述
• 4.2 结构优化设计
• 4.2.1 优化模型的建立
• 4.2.2 结构优化方法
• 4.3 遗传算法与多目标优化
• 4.3.1 遗传算法
• 4.3.2 遗传多目标优化
• 4.3.3 非支配排序遗传算法
• 4.4 iSight软件的应用
• 4.4.1 应用iSight实施优化的过程
• 4.4.2 试验设计与DOE功能
• 4.5 本章小结
• 5 座钣的结构优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 ABAQUS的二次开发环境
• 5.2.1 Python概述
• 5.2.2 ABAQUS二次开发的实现
• 5.3 座钣的参数化有限元建模
• 5.3.1 座钣模型的简化
• 5.3.2 参数化有限元模型
• 5.4 座钣的优化实施过程
• 5.4.1 Pareto多目标优化数学模型
• 5.4.2 过程集成与参数表设置
• 5.4.3 主要设计参数的筛选
• 5.4.4 优化规划的实施
• 5.4.5 参数圆整
• 5.5 优化结果的验证
• 5.5.1 优化后座钣刚性支撑下的有限元建模
• 5.5.2 优化后座钣土壤支撑下的有限元建模
• 5.5.3 座钣优化前后结果分析对照
• 5.6 本章小结
• 6 结束语
• 6.1 本文总结
• 6.2 应用展望
• 致谢
• 参考文献