空降型火炮炮塔优化设计

杨 雕，曾志银，宁变芳，喻华萨

（西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

空降型火炮炮塔优化设计

杨 雕，曾志银，宁变芳，喻华萨

（西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099）

炮塔作为火炮的重要部件，其结构刚强度和质量对整个火炮的性能有很大的影响。为满足空降型火炮的轻量化要求，通过有限元分析发现某空降型火炮炮塔结构刚强度有一定的富余量，故基于结构优化方法对该炮塔进行优化设计研究。在多射角工况条件下，通过变密度法的拓扑优化得到炮塔托架主要传力路径，寻求托架材料的最佳分布；并通过尺寸优化获得炮塔护板厚度的最佳组合。优化后炮塔质量减少11.54%，且最大应力有所下降，达到了炮塔减重的目的。

轻量化；炮塔；多射角工况；拓扑优化；尺寸优化

空降型火炮可利用运输机直接远程快速投送至作战区域，有效地对敌火力进行压制，于是在保障其作战效能的前提下，最大限度减小火炮质量，轻量化是当前火炮发展的主流趋势之一。炮塔作为火炮的重要部件，其主要作用是安装火炮起落部分，为塔内各种设备提供支撑并承受各种负载，同时为乘员、弹药及设备提供防护，其结构的刚强度和质量对整个火炮的轻量化有很大的影响［1］。传统的炮塔设计是根据设计要求，凭着设计者的经验，对不同设计方案进行刚强度的计算，从中选择出相对最优的设计方案。这种方法不能确定炮塔全局最优设计方案，往往在其刚强度及质量上有较大的设计余量，无法达到轻量化的目的。随着结构优化理论和计算机技术的发展，使炮塔在满足一定设计约束条件下实现结构的最优化成为可能。文献［2］对炮塔轻量化设计过程中并未涉及托架的减重，且未考虑火炮射击时的不同工况。文献［3］对上架减重中只采用拓扑优化，无法使结构达到最优。

笔者以某空降型火炮炮塔为研究对象，通过有限元分析发现，炮塔结构刚强度有一定的富余量，对此，通过结构优化的方法对炮塔进行减重设计。首先运用拓扑优化方法，在不同射角工况下找出炮塔托架的主要传力路径，得到材料的最佳分布；再通过尺寸优化对炮塔护板进行优化，得到各护板的最佳尺寸组合，从而使其在满足刚强度的条件下达到轻量化的目的［4］。

1 炮塔刚强度分析

1.1 炮塔有限元模型

炮塔结构如图1所示，各护板和托架均用铝合金材料焊接而成，护板内布置加强筋，耳轴孔内衬套由钢材构成。在火炮发射时，后坐力通过耳轴传递给炮塔。炮塔主要的受力有炮塔结构自重、起落部分、主要配属设备质量和后坐阻力。在对其进行分析时除最大应力、应变外，还需要特别关注耳轴区域的变形，耳轴区域的变形与火炮射击精度紧密相关。分析选择水平射角为0°、最大射程角为45°、最大射角为80°的3种工况进行。

基于有限元软件Hyper Works，应用Hyper Mesh对炮塔进行网格划分，炮塔护板采用四边形壳单元，托架采用六面体实体单元［5］，如图2所示。其中壳单元和实体单元之间通过焊接单元（weld）进行连接，局部用rbe3单元来代替焊接单元进行细化，以更好地体现局部应力应变。护板和托架材料的弹性模量为70 GPa，泊松比为0.33，密度为2.7 t／m3，屈服极限为345 MPa；耳轴套材料的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7.9 t／m3，屈服极限为1 325 MPa。后坐阻力和起落部分质量施加在左右耳轴两个半圆柱面上，施加方式采用余弦函数，具体压力分布表达式如下：

式中：P为施加在耳轴孔上的压力；F为耳轴孔圆柱面受到的最大后坐阻力；r为耳轴孔的半径；L为载荷作用范围轴向长度。

最大后坐阻力为195.77 k N，起落部分质量为672.41 kg，故P=25.14cosαMPa。根据实际工作情况约束炮塔底板与座圈结合环面单元的6个自由度。

1.2 炮塔刚强度分析

通过OptiStruct模块对上述建立的有限元模型进行求解，结果如表1所示。

表1 原炮塔刚强度计算结果

计算结果表明3种工况下原炮塔结构最大变形位于顶板和托架连接附近，最大应力位于炮塔底板和托架结合处，设计要求耳轴中心位移不大于0.6 mm。从表1看出左右耳轴中心位移均满足设计要求，且最大应力远远小于材料屈服极限，表明原设计的炮塔结构在刚强度上有较大余量。

2 炮塔托架拓扑优化设计

2.1 拓扑优化模型

拓扑优化的主要目的是找出结构的传力路径，得到材料的最佳分布，使目标函数在满足约束的条件下达到最优。结构拓扑优化主要通过变密度法来实现，变密度法的基本思想是将有限元模型设计空间的每个离散单元的相对密度作为设计变量，用xi表示，取值为0～1之间的连续值。则优化后的单元密度ρ和优化前的单元密度ρ0之间有ρ= xiρ0；分别用E0和E、K0和K表示优化前后的弹性模量和刚度矩阵，则有E=（xi）pE0，K=（xi）pK0。其中p为惩罚因子，作用是对中间密度单元进行惩罚，以最大限度地降低中间密度单元的比例，使结构单元的相对密度最大可能地向0、1靠近。优化后单元相对密度靠近1表示该单元位置处的材料很重要，需要保留；单元密度靠近0表示该单元处的材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效率利用，实现轻量化的目的［6］。变密度法的数学模型为：

式中：x为优化变量；xmin为优化变量最小值；U为位移矢量；f为载荷；Vi为优化单元体积；sk为第k点的位移量；s′k为第k点允许的最大位移。

在炮塔有限元模型中选取托架体作为拓扑优化的区域，以优化区域内每个单元的伪密度作为设计变量，目标函数为质量最小，约束条件为在0°、45°、80°这3种典型工况下左右耳轴孔的变形均不大于0.6 mm，由于各工况都是独立的，所以优化中权值都取1。在优化过程中，为避免出现棋盘格式的结果，对模型施加最小结构尺寸约束（30 mm）；增加离散参数（DISCRETE）使得处于中间密度的单元尽量移向0、1两端，产生更加离散的结构；同时在左右托架厚度中分别施加对称约束；并减小目标容差值（OBJTOL），从而改变相对收敛条件，允许更多步迭代。

2.2 拓扑优化结果

基于Hyper Works软件的优化模块OptiStruct进行求解，经过10次迭代后收敛，并取单元相对密度阀值为0.3，即小于0.3的相对密度单元将不予显示，炮塔托架拓扑优化前后结果如图3所示。

从优化结果中可以看出托架的主要传力路径，图3表明原托架结构中有大量的单元相对密度低于0.3，这些单元的存在对炮塔的刚强度贡献并不大，反而增加了结构质量。根据拓扑优化结果，考虑到托架结构的可加工制造性，对原托架结构进行优化后改进设计，如图4所示。

3 炮塔护板尺寸优化设计

上述拓扑优化设计优化了托架的结构，考虑到炮塔护板的防护作用，不能像托架那样进行拓扑优化。由于护板是由多个铝合金板焊接而成，最适合进行尺寸优化，使其在满足约束的条件下各护板的尺寸得到最佳组合，以达到减重的效果。

炮塔护板是左右对称结构，在优化过程中同部位的左右两块护板设为一个设计变量，全炮塔共9个优化设计变量，如图5所示。

考虑到炮塔的特殊作用，各护板初始设计尺寸和所允许的上下限如表2所示。同样选取目标函数为炮塔质量最小；约束条件为在0°、45°、80°这3种典型工况下左右耳轴孔的变形均不大于0.6 mm。

根据建立好的尺寸优化模型，应用OptiStruct进行求解，经过6次迭代后收敛。炮塔护板尺寸优化结果与原设计对比如表2所示。优化过程目标函数的变化如图6所示。

表2 炮塔护板设计初始值和允许变化范围

4 炮塔结构优化前后刚强度对比

对炮塔托架拓扑优化和炮塔护板尺寸优化后的改进模型进行有限元建模并分析，将刚强度结果与原炮塔进行比较，具体对比结果如表3所示。

表3 炮塔结构优化前后结果对比

从表4的对比结果可以看出，优化改进后的炮塔质量有明显的减小，共减重52.1 kg，占炮塔总质量的11.54%。且在3种工况下最大应力均有减小，左右耳轴中心位移均小于0.6 mm，满足设计要求。

5 结论

笔者以空降型火炮减重设计问题为背景，对某空降型火炮炮塔结构进行了优化设计。优化改进后的炮塔质量减少了11.54%，并且最大应力有所下降，左右耳轴中心位移均小于0.6 mm，满足炮塔轻量化的目的。该研究方法不仅为炮塔的轻量化设计提供了有效的途径，而且对其他机械结构的减重设计提供了一定的参考。

（Referenees）

［1］张相炎，郑建国，袁人枢.火炮设计理论［M］.北京：北京理工大学出版社，2014.ZHANG Xiangyan，ZHENG Jianguo，YUAN Renshu.Artillery design theory［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2014.（in Chinese）

［2］葛建立，过斌，杨国来，等.基于参数优化的炮塔轻量化设计［J］.火炮发射与控制学报，2011（2）：82- 85.GE Jianli，GUO Bin，YANG Guolai，et al.Lightweight design of gun turret based on parameter optimization［J］.Journal of Gun Launch＆Control，2011（2）：82- 85.（in Chinese）

［3］张海航，于存贵，唐明晶.某火炮上架结构拓扑优化设计［J］.弹道学报，2009，21（2）：83- 85.ZH ANG Haihang，YU Cungui，TANG Mingjing.Topological optimization design for the upper carriage of a gun［J］.Journal of Ballistics，2009，21（2）：83- 85.（in Chinese）

［4］芮强，王红岩，王良曦.多工况载荷下动力舱支架结构拓扑优化设计［J］.兵工学报，2010，31（6）：782- 786.RUI Qiang，WANG Hongyan，WANG Liangxi.Research on topology optimization of power train bracket under multiple loads［J］.Acta Armamentarii，2010，31（6）：782- 786.（in Chinese）

［5］王勖成.有限单元法［M］.北京：清华大学出版社，2003.WANG Xucheng.Finite element method［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2003.（in Chinese）

［6］杜春江.连续体结构拓扑优化理论及其在炮塔结构设计中的应用研究［D］.南京：南京理工大学，2008.DU Chunjiang.Research on theory of continuum structural topology optimization and its application in turret structure design［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2008.（in Chinese）

Design Optimization of the Airborne Gun Turret

YANG Diao，ZENG Zhiyin，NING Bianfang，YU Huasa
（Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China）

lightweight；turret；multi-angle working conditions；topology optimization；size optimization

TJ303

A

1673-6524（2015）04-0055-04

2015- 04- 15；

2015- 07- 19

杨雕（1992－），男，硕士研究生，主要从事结构分析及优化设计技术研究。E-mail：yangdiao0602＠163.com

Abstraet：The steel strength and quality of the structure of turret，an important part of a gun，has a great influence on the performance of the gun.To meet the requirements for lightweight airborne gun，through the finite element analysis，it can be found that a certain type airborne gun turret structure just has a certain amount of surplus strength.Therefore，the design of the turret is to be optimized based on the structural optimization method.Under the multi-angle working conditions，turret bracket main power transmission path is to be obtained through the variable density method of topology optimization，seeking the best distribution of turret bracket material；and then the best combination turret shield thickness is to be acquired through size optimization.Turret quality decreased by 11.54%after optimization，and the maximum stress decreased，reaching the purpose of lightweight for the turret.