复合材料火箭炮定向器结构优化

李猛，于存贵，齐贤伟，崔二巍

(南京理工大学，江苏 南京 210094)



复合材料火箭炮定向器结构优化

李猛，于存贵，齐贤伟，崔二巍

(南京理工大学，江苏 南京 210094)

摘要：复合材料在火箭炮定向管中的应用有利于减小结构质量，提高火箭炮战术技术性能。以某火箭炮的定向器为研究对象，建立了定向器的有限元模型，以第一阶模态固有频率为目标函数，以原有质量不变为约束条件，利用HyperWorks对复合材料进行优化。优化内容包括复合材料铺层角度和铺层厚度。

关键词：复合材料；火箭炮；定向器

0引言

复合材料是由两种或多种不同性质的材料使用物理或化学方法制成的具有比单一材料性能更为优越的材料。复合火箭炮定向管的应用，有利于减轻整个武器系统的质量，并且延长使用寿命。以环氧树脂为基体，玻璃纤维增强复合而成的玻璃钢复合材料，具有强度高、质量轻、抗腐蚀性和抗疲劳性强、电性能和热性能好及可设计性好等优点，在定向管和导弹发射筒上得到广泛应用。

复合材料的使用形式最早是层合板形式，即把几个单独铺层胶接而成，并且每层的纤维方向与层压板参考轴成某一角度。由于复合材料的这种组成形式，为结构优化提供了巨大的空间，比如铺层角度、铺层厚度。本文通过改变铺层的角度和铺层厚度，提高结构的第一阶固有频率。

1HyperWorks优化软件简介

HyperWorks软件包含HyperMesh，Optistruct，RADIOSS，HyperView等模块，分别用于复合材料的前处理、优化、求解、后处理，广泛用于复合材料的分析和优化问题。其中HyperMesh支持Ply+Stack的复合材料铺层建模方式，即可以自由定义复合材料的物理铺层范围。RADIOOS可用于复合材料的求解，支持PCOMP定义铺层、PCOMPP定义铺层形状及次序，可以方便求出各层的应力、应变和失效指数。HyperLaminate拥有经典的复合材料求解器，可以将复杂的三维各项异性的复合材料层合板等效成简单的二维各项异性材料平板，可以方便使用PSHELL单元建模。Optistruct具有强大的复合材料优化能力，支持铺层剪切形状优化、铺层比优化、铺层次序的优化等，在优化过程中可以考虑铺层应力、失效等约束条件，基本流程如图1所示。

图1　复合材料优化流程

2定向器优化分析

2.1　定向器基本参数

该定向器长度为3000mm，壁厚为40mm，采用环氧玻璃纤维制成的复合材料，材料性能如表1所示。

表1　环氧玻璃纤维材料性能

复合材料总共由5层纤维铺成，每层纤维厚0.8mm。铺成形式如图2所示。从图2可以看出相邻两铺层的铺层角度为45°。

图2　复合材料铺层形式

2.2　有限元模型的建立

使用三维绘图软件绘制定向器的三维模型，导入到HyperMesh进行前处理。首先将绘制的实体模型抽取中面，划分2D网格。根据实际的约束情况，在定向器的相应位置建立约束。建立图2所示的复合材料铺层，将铺层属性赋予所建立的几何模型。在HyperMesh中建立的有限元模型如图3所示。定向器中包含螺旋导槽结构。

图3　定向器有限元模型

2.3　原有模型的模态分析

本文的优化目的是提高定向器的第一阶固有频率，首先使用RADIOSS对原有结构进行模态分析得到初始固有频率。第一阶的振型和固有频率如图4所示。从图中可知，一阶固有频率为361Hz。

图4　第一阶模态振型和固有频率

2.4　优化分析

结构优化以设计变量、目标函数和约束条件为三要素。设计变量是迭代过程中不断改变用于需求最优解的一组参数。目标函数就是优化所要达到的材料某种属性，如最小质量，它是关于设计变量的函数。约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求。本文以一阶固有频率最大为目标函数，铺层的角度和铺层厚度为设计变量，约束条件为总厚度不变。其中复合材料设计变量的设置如图5所示。其中NewDvth1，NewDvth2，NewDvNth3为铺层厚度变量，变化范围为0.4mm~1mm；NewDv1和NewDv2为铺层角度变量，变化范围为别为30°~70°和70°~110°。

图5　复合材料设计变量设置

运行优化程序，优化完毕后，查看迭代过程铺层角度设计变量和铺层厚度设计变量的变化情况，分别如图6，图7所示。由图可知第2,4铺层的铺层角度由45°优化为70°，第1,5铺层的铺层角度由90°优化为95°。第3铺层厚度由0.8mm优化为1mm，第2,4铺层厚度由0.8mm优化为0.53mm，第1,5铺层厚度由0.8mm优化为0.47mm。

图6　铺层角度优化过程

图7　铺层厚度优化过程

优化分析完毕后，查看定向器的一阶模态振型和固有频率，如图8所示。从图中可知，固有频率由361Hz提高到了420Hz。

图8　优化后的一阶模态

3结论

以某火箭炮定向器为研究对象，通过改变铺层厚度和铺层角度提高其一阶固有频率。应用HyperWorks软件，设置所需的目标函数、约束条件和设计变量，得到了合理的铺层厚度和铺层角度。对于复合材料优化还有其他值得深入的地方，比如裁剪形状和厚度分布。本文对火箭炮复合材料定向器的设计与优化具有一定的参考价值。

参考文献:

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Optimization Design of Composite Director

LI Meng,YU Cun-gui, QI Xian-wei, CUI Er-wei

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:Composite materials can be used in the director of rocket launcher to reduce its mass，and enhance the technical performance of MRLS.In this paper, the director of rocket launcher is selected as the research object and the finite element model is created.Then the first mode natural frequency is chosen as the objective function,and the mass is chosen as constraint. The composite materials are optimized using HyperWorks. In this analysis,the thickness and angel of each lay are considered.

Keywords:composite material; rocket launder; director

中图分类号：TJ393

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0111-02

作者简介：李猛(1986-)，男，山东泰安人，硕士研究生，研究方向为车载火箭结构分析及优化。