轻量化在火炮设计中的应用综述

巩博瑞，王向胜，王天文，张信虎，任启愿，周文卿

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

1 轻量化在火炮设计中的重要性

随着军事科技的发展，以立体化、海陆空多方位、多军种协同作战的受核武器威胁常规性局部战争成为未来战争的主要模式[1]。鉴于现代战场的流动性，要求武器装备具有快速部署、快速响应、快速运输的能力。减轻武器装备质量，对于提高装备的作战平台适应性、机动性、作战人员战场生存能力等具有重要的积极意义。

随着现代战争信息化、无人化、智能化的发展，火炮逐渐由传统的战略支援作用逐渐向着作战主力转变。以俄罗斯“莲花”空降自行火炮、美国M1064A3两栖自行火炮、美国AC-130空中炮艇等新型火炮在实战中的应用，标志着传统火炮逐渐突破陆基平台限制，向着海上、空中等平台发展。轻量化设计可科学、合理、高效地减轻火炮质量，有利于提高火炮部署、机动、运输等能力，有利于装备向着如空、海等作战平台的拓展，在火炮设计中受到越来越多的关注。

2 轻量化主要思想及方法

轻量化设计是对构件进行设计，使其在满足使用要求的情况下，质量尽可能小，具体到火炮武器装备设计中，使用要求不仅包括如倾斜、压弯、击穿、断裂、凸起等静态稳定性，还包括如颤动、谐振等动态稳定性。在实际设计工作中，一般结合零部件最常见失稳工况，选取单个或多个特性，采用准确可靠优化计算方法，尽可能将材料负载均匀化。与传统结构件的轻量化设计方法相同，火炮设计中的轻量化一般可分为材料轻量化、结构轻量化、多学科设计优化。

2.1 材料轻量化

传统火炮装备中零部件材料以钢材为主，随着材料学科的发展，已经有越来越多的新材料逐渐应用于火炮设计中[2]，如高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金和复合材料。表1所示为几种常用金属材料的性能指标。

表1 火炮装备常用金属材料力学性能

铸铝常应用于底盘轮毂和各种瞄准、高低方向随动、作战指挥、信息记录等控制类及软件处理类箱体；铝合金一般用于非承力件或载荷相对较小承力件，如瞄准装置底座[3]。潘玉田等[4]对履带式自行火炮负重轮轮毂进行轻量化设计，将越野状态载荷加载到负重轮毂进行静力分析，研究了铝合金轮毂的安全性。张忠营等[5]采用等温挤压成型技术加工了7A04铝合金负重轮，通过试验得到材料力学性能参数，进行运动学分析和动力学分析验证了负重轮的安全性，结果表明铝合金车辆有利于降低车辆行驶中的振动，提高机动性，改善车辆的操作稳定性和乘坐舒适性。

镁合金是比模量最高和比强度仅次钛合金的金属结构材料，在武器装备领域有着广阔的应用前景[6]，质量轻、抗拉强度高，尺寸稳定性、抗冲击、耐磨性能好，导电、导热、屏蔽性能优异，具有一定的耐蚀性，常用于电气产品箱体、小尺寸或异性支架等。相较铝合金而言，镁合金制造成本相对较高，仅当有散热、冲击、电磁干扰等方面特殊要求时可作为铝合金的替代材料。

钛合金具有高比强、耐腐蚀、无磁等优异性能，常见于车体底盘、装甲等。随着国内外大量相关基础和应用研究、低成本技术研究，钛合金逐渐成为武器装备轻量化和提升性能的首选材料[7-9]，但因较高的成本仍限制了其并不能较大规模应用。20世纪70年代，我国开展了钛合金在火炮中的研制工作，100 mm迫击炮研制中采用的钛合金底板比钢制减少10 kg，82 mm全钛合金空降迫击炮比钢制减少16.6 kg，但并未取得较大的突破性进展，且实际应用极少[10]。任庆华等[11]结合国内外武器装备实例，介绍了钛合金材料在牵引火炮、自行火炮、装甲车辆、弹药中的应用。刘嘉鑫等[12]以钛合金材料代替传统炮钢材料，基于增材制造技术，设计了一种新型复杂结构炮口制退器，减轻了质量，增强了承载能力，提高了火炮射击稳定性。国外如美、英、俄罗斯等，对钛合金在武器装备中的使用也进行了较多研究，都取得了较大的成果。钛合金在武器准备的典型应用如表2所示。

表2 国内外典型武器装备典型减重方法及效果

复合材料比强度、比刚度高，可设计性强，抗疲劳性能好，在身管缠绕、结构和受力较为简单的场合应用较多。在身管设计中，使用纤维增强的铝基、钛基等轻质复合材料在降低身管质量的同时还可降低变形基振动，从而提高身管寿命[13]。谭继宇等[14]结合数值方法，采用金属内衬外部缠绕纤维增强复合纤维壳加强身管强度，对火炮身管进行减重设计，获得了减重16.5%且满足强度要求的身管结构。某小口径自行火炮弹箱采用碳纤维环氧树脂基及复合材料，在保证弹箱强度的前提下整体减重40%[15]。

2.2 结构轻量化

结构轻量化一般可通过拓扑优化、形状优化、尺寸优化这3种方法实现[16]，拓扑优化确定最佳传力路径，形状优化对局部进行再设计达到降低局部应力、减重等目的，尺寸优化通过对具体结构尺寸进行调整以提升性能、降低质量并满足可加工性，各方法对应不同的设计阶段，相互关系如图1所示，3种优化方法遵循如式(1)所示的数学模型。

(1)

式中：X为设计变量矩阵；f(X)目标函数；hi(X)、gi(X)为约束函数。

2.2.1 拓扑优化

相较于其他两种方法，拓扑优化理论基础完善，设计空间广阔，创新性强，减重效果显著，且软件开发适应性强，主流结构分析软件如ABAQUS、ANSYS、HyperWorks、Comsol、OptiStruct等都有相应优化模块，极大简化了分析流程，因此国内外有大量学者从事相关工作。

拓扑优化是一种根据给定载荷、约束等边界条件，以材料性能、结构响应等建立约束函数，对结构设计域内材料进行分布优化的结构设计方法，其常见方法分类如图2所示，其中变密度法(SIMP法)和水平集方法(Level Set Method)应用最为广泛。SIMP方法将连续体结构离散化为有限个单元，以单元的材料密度为设计变量，人为将材料密度逼近0(代表无材料)或1(代表有材料)，通过连续迭代最终求解出给定设计空间内最佳的材料分布。根据优化目标的数量可分为单目标及多目标拓扑优化。

2.2.1.1 单目标拓扑优化

单目标拓扑优化较为简单，仅对目标结构单一工况下进行优化设计。张海航等[17]以火炮上架整体质量最小为目标函数，针对某一确定工况，通过OptiStruct软件进行拓扑优化，使上架质量减小了12.17%。边海关等[18]以火炮发射时上架两耳轴中心变位差为约束条件，以整体结构体积最小为目标函数，利用HyperWorks进行拓扑优化，优化后质量及最大位移均有减小。孙玲庆等[19]以火炮翻板机构回转臂为研究对象，通过ANSYS对协调臂与回转臂接触状态下机构进行了静力分析和拓扑优化，优化后最大等效应力下降45%，质量减少26%。葛尧等[20]结合有限元、代理模型等方法，以炮塔低阶频率降低为目标，通过拓扑优化减重14.7%。刘朝勋等[21]通过ANSYS对负重轮轮盘结构进行优化，考虑负重轮的三重非线性特性，以静载荷下的最大等效应力为状态变量，优化后减重10%。

2.2.1.2 多目标拓扑优化

现代战争中火炮是在多弹种、不同射击平台、不同姿态、不同外部环境等工况下使用的，不同工况下有不同动静态响应[22]。针对特定工况下的单目标优化，有可能导致其他工况下结构性能的降低甚至失效，因此有必要使用多目标优化方法，折衷设计各分目标以达到整体最优。郭晓雪等[23]针对同一方向角和高低角下，火炮后坐、复进两种状态下的上架受力情况，以刚度为目标函数，建立了基于归一化指数加权准则与固体各向同性材料惩罚模型相结合的多目标优化模型，并运用变密度法(SIMP)对火炮上架进行多目标拓扑优化，找到满足要求的多目标帕累托最优解，质量降低了54.27%。张新建等[24]针对火炮上架在3种典型工况下的有限元模型，利用层次分析法建立各工况权重组合系数，通过折衷规划法的结构拓扑优化方法，在提高刚度的同时降低了质量。

2.2.2 形状优化及尺寸优化

拓扑优化后模型表面普遍存在异形曲面、不规则棱角等，需要综合考虑机械加工的工艺性、经济性进行模型重构，一般通过形状优化和尺寸优化实现。形状优化是通过对局部区域进行形状摄动，并运用优化算法求解以得到满足性能约束的最优构型。尺寸优化以杆横截面积、板厚度、孔半径、特征位置等具体形状的具体参数为设计变量，通过优化算法寻找最优的设计参数组合。

孙全兆等[25]运用拓扑优化方法寻找上架结构的主传力路径，修改筋板布局，然后采用尺寸优化方法进行详细设计，优化后最大位移减小了32.7%，耳轴中心变位差减小52.1%。张鑫磊等[26]结合有限元理论建立了某型火炮刚柔耦合动力学模型，以质量和应变能最小为设计目标，构建径向基函数近似模型，以摇架的外形尺寸及板厚为设计变量进行尺寸多目标优化，优化后摇架应变能降低10%的同时结构质量降低了6.8%。富威等[27]为提高某型舰炮摇架振动性能，首先基于SIMP法运用Workbench进行拓扑优化，在此基础上基于遗传算法对摇架参数尺寸进行优化，降低了瞬态最大位移，减小了质量。

综上所述，结构轻量化各方法之间是互为补充、相互完善的关系，因此建立集结构拓扑、形状、尺寸等要素于一体的火炮统一模型是轻量化设计的重要发展方向。

2.3 多学科设计优化

多学科设计优化指以火炮装备整体性能为基础，从设计的源头出发，采用多学科综合优化设计技术，耦合装备各学科、各功能，构建协同机制，明确全局设计目标的优先度，对火炮各分系统、各单体的接口形式、连接形式等进行优化，提高局部的协调性和装备整体的统一性。

相对于结构轻量化，多学科设计优化更注重装备多个性能之间的协调统一。洪亚军等[28]考虑内弹道、后坐阻力、身管结构、强度、刚度及寿命等多个学科，建立了火炮身管-反后坐装置的集成模型，通过智能算法获取Pareto最优解，结果显示身管质量降低9.8%，后坐阻力减少50.4%。基于弹药理论的复杂性及重要性，有大量专家学者建立了火炮弹-炮-药-后坐的多学科协调仿真模型，并取得了良好的设计优化结果[29-32]。

通过合理的多学科设计优化，在设计中可达到减少零件、合并零件、控制传动链数量等目标。美国海军金属加工中心结合精密铸造工艺特点，对零部件连接形式进行再设计，使M777轻型155 mm火炮核心部件总数从973减少到196，减少80%，如表3所示[33]。

表3 基于多学科设计的M777火炮部件数量对比

3 结论

1)轻量化设计是火炮武器装备性能指标提升的重要途径，对于装备适应现代军事科学技术发展具有重要意义。

2)随着材料学科的发展，高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等已逐渐应用于火炮设计中，铝、镁合金减重方案已经较为成熟且应用较为广泛，钛合金、复合材料有更多的工程研究，减重效果相较更为突出，应用前景广阔。

3)结构轻量化是目前火炮设计中最常见的减重方式，主要通过拓扑优化、形状优化、尺寸优化方式实现，目前研究多集中在火炮上架、炮塔等支撑结构，多目标拓扑优化寻找全局最优，更为符合工程实际。

4)多学科设计优化耦合了各学科、各功能，从设计的源头出发，具有更广阔的优化空间、更灵活的优化方式，减重效果最为显著，是轻量化发展的重要趋势。