基于SolidWorks的某舰载转台支架结构优化设计

杨轶，刘诗林，唐继明

（长沙金信诺防务技术有限公司，湖南 长沙 410000）

某舰载转台是调转其承载的武器发射装置到指定角度进行射击的设备，可进行方位和俯仰方向上的转动。支架是承受武器发射载荷的关键受力结构件，其力学特性的优劣直接影响武器系统性能和精度。同时驱动支架进行方位转动的电机为满足空间要求一般驱动负载能力有限，因此在支架满足一定刚度和强度要求下，需要尽可能减轻结构重量，减小其转动惯量，所以对支架结构进行优化设计是十分必要的。

SolidWorks 是现如今应用较为广泛的三维软件之一，可以完成零件部件和产品设计的三维建模并且可以对其进行分析的软件，能够很大的提高模型设计的水平和效率。

1 支架有限元分析

1.1 有限元模型

转台承载武器发射装置的载荷通过摇架的耳轴传递给支架，支架采用U 型结构。运用Solidworks 软件建立支架的三维模型。支架的材料为2014-T4，密度为7800kg/m3；弹性模量为7.24e10Pa；泊松比为0.33，许用应力65MPa。本文对模型网格划分采用Solidworks 软件中Simulation 模块的标准网格，划分结果如图1 所示。

图1 支架有限元网格

1.2 载荷及约束

此转台俯仰射角范围为-15°～+45°，-15°、0°和45°时工况是3 个具有代表性的典型工况。支架主要承武器射击时后坐力作用，取最大后坐力2000N 为有限元模型载荷。其次支架承受武器发射装置的传递过来的重力500N，另外还受自身重力作用。位移约束则施加在支架与驱动电机轴的连接面上,如图2。

1.3 支架静力分析

通过运行算例得支架分别在-15°、0°和45°射角时的最大应力和最大位移，结果分析见表1。

图2 俯仰射角0 射击工况载荷约束施加图

表1 支架静力分析结果

由分析可知，支架在0°射角时的最大应力为14MPa 远小于材料的许用应力65MPa。由于支架耳轴处通常安装轴承，为避免因变形大，出现轴承咬死，一般变形要小于0.5mm。结构变形最大值为0.124mm，发生支架顶部，支架耳轴处变形最大值为0.112mm，如图3 所示。由此可见，先前设计较保守，支架结构优化有相当大的空间。

图3 俯仰射角0 射击应力和位移云图

1.4 支架模态分析

结构模态分析可以获取结构件的固有频率和振型，从而使结构设计避免共振或者以特定的频率进行振动。故对支架的有限元模型求解共扩展了6 阶模态并提取前6 阶固有频率值如表2 所示。

表2 支架模态分析结果

机械系统一般要求自由振动固有频率必须高于最高工作频率的5～8 倍，由于本转台支架用于搭载武器发射装置，其工作频率较低，因此所转台支架一阶最小固有频率不能低于80Hz。由图4 可知转台支架的第一阶固有频率为239.21Hz，远大于最小固有频率要求，工作时结构本身不会发生共振，可以满足使用要求的，同时支架结构存在优化的空间。

2 支架结构优化

由上文分析可知支架结构设计比较保守，在保证强度和刚度的基础上，对其结构进行轻量优化设计，这样既能够降低所需电机驱动力，还可以节省材料。优化设计的原则是首先确定重量最小为目标函数，通过改变模型重要板的厚度或者长度来求出支架模型重量最小化。

而SolidWorks 软件自身带有仿真优化功能，采用多维约束最优化的方法进行优化分析，通过强大的迭代计算功能计算出最适合的目标函数。本文利用SolidWorks 在对模型进行仿真分析后，选取杆优化的目标函数为支架的质量最小化。选取耳轴板厚度、上侧板厚度、下侧板厚度、底板厚度为设计变量。选取强度和刚度为约束条件，各约束条件值为：von Mise 应力值小于65MPa，合位移值小于0.25mm，频率小于80Hz。经过如图5 示的迭代优化之后，得到支架重量的最优解，优化前后相关数据对比如表3 所示。

表3 支架优化前后数据对比

图4 一阶模态振型云图

由表3 知，结支架重由先前的25.39kg 降到了15.41kg,减轻了39.3%。通过优化前后的数据比较，可知支架适当减轻重量，强度和刚度都满足设计要求，结构本身也不会发生共振，产品性能可靠。

3 结语

(1)利用Solidworks 软件对支架进行建模，并对支架进行静力学及模态分析，设计满足强度和刚度的要求，工作时不会共振。同时也发现支架设计比较保守。

(2)在有限元分析的基础上，在保证支架强度和刚度的同时，通过SolidWorks 的优化功能对支架进行优化，使结构更趋于合理，整体质量减轻了39.3%。

(3)通过SolidWorks 软件对支架有限元分析及优化设计，为结构的轻量化设计提供了重要的理论依据，对不断地产品设计和改进有重要的指导意义。