火箭筒托架零件一体化成形分析及轻量化设计

刘晓阳，霍增辉，黄风山，满晓飞，程伟亚

火箭筒托架零件一体化成形分析及轻量化设计

刘晓阳1，霍增辉1，黄风山1，满晓飞1，程伟亚2

（1.河北科技大学 机械工程学院，石家庄 050000；2.河北省药品医疗器械检验研究院，石家庄 050200）

研究某型号火箭筒托架零件一体化成形及工况载荷下的结构轻量化设计方法。提出了基于3D打印制造的铝合金一体化快速成形方法，并结合有限元分析和理论公式，得出了一体化托架在冲击载荷作用下的结构强度评估方法，进行了变形、应变及应力分析，在此基础上对托架进行了轻量化优化设计。在满足强度要求的情况下，一体化托架相对传统成形整体质量减轻了153.535 g，减少了41.76%，效果明显。实现了托架的一体化成形，完成了托架的轻量化设计，研究结果为火箭筒零件一体化成形及冲击载荷下结构的轻量化设计提供了参考。

火箭筒托架；一体化成形；冲击载荷；有限元分析；轻量化设计；3D打印

某型号单兵火箭筒发射器托架的作用是对发射器筒体进行支撑和定位，调节筒体角度，保证在发射火箭弹时整个装置的整体平衡性。托架为马蹄形焊接结构，其下端设有与三脚架连接的底座，上端为马蹄形的支撑，支撑连段通过销钉与火箭筒连接，如图1所示。马蹄形托架为高强度钢的托架，形状较复杂，且加工面较多，质量大，不能满足野外装备轻量化的要求，并且过高的焊接热输入以及较大的电弧压力会导致其成形质量差，成形精度较低，冷却后的托架会产生变形，进而影响整个托架与火箭筒之间的配合精度，很难保证高精度定位和快速调节等要求。故在满足强度要求的前提下，对托架加工成形方式和结构进行优化是提高发射器性能的关键[1]。

图1 托架结构图

3D打印技术打破了托架焊接成形现状，3D打印通过逐层添加材料的成形方式加工零件，与传统成形方式相比，3D打印技术不仅具有节约材料、成形快等优点，还可直接成形镂空点阵、中空夹层、一体化等复杂轻量化结构零件，可进一步解放设计制造的自由度，故需对一体化成形托架进行强度校核及轻量化设计。

火箭筒托架结构所承受的载荷形式多样，不仅有静载荷，还有部分冲击载荷，单纯采用静载荷方法进行强度分析和结构设计，不能很好地满足结构设计要求，故在特定冲击载荷作用下对结构强度进行计算分析很有必要。针对这一问题，王江等[2]将理论公式与有限元方法相结合，提出了在冲击载荷下的托架动强度评估方法。田建明等[3]分析了载荷冲击试验的现状，着重介绍了一种基于火炮发射原理的载荷冲击试验方法，对载荷冲击曲线进行了比较和说明。闫晋辉等[4]建立了船体和基座结构有限元模型，选用预应力–动力分析求解方法计算预载荷作用下的瞬态响应。

针对面向3D打印技术的产品轻量化方法，刘晴等[5]对某火箭炮底架结构进行了拓扑优化，实现了对底架的全新结构设计。孙成宽等[6]以某加固机箱的可拆卸托架为例进行了力学分析及结构优化改进，利用ANSYS Workbench对其进行静力分析和模态分析，并在此基础上，基于变密度优化方法进行结构拓扑优化。胡添翼等[7]通过拓扑优化，获得了一种适合3D打印成形的轻量化飞机连接件。陈继文等[8]以码垛机器人小臂为研究对象，设计了一种内部填充蜂窝骨架的小臂模型，并通过增材制造技术对机器人小臂模型进行了打印，达到了轻量化的目的。Nguyen等[9]提出了一种采用拓扑优化的创新设计工具的新方法，并对扳手进行了创新实验设计，在确保扳手力学性能的前提下，得到了产品的最佳结构。

1 托架结构及模型创建

1.1 建立有限元模型

将在UG中创建的托架CAD三维模型导入到ANSYS软件中，建立托架的有限元模型[10]。为使计算环境逼近实际使用情况，将简化的火箭筒通过质心部转轴放置于托架U形口顶部槽内，以此实现火箭筒及火箭弹重力的施加作用，后期加载计算中直接略去火箭筒及火箭弹模型，在托架U形口顶部槽下表面施加同等作用的压力作为火箭筒及火箭弹的重力。

托架采用铝合金轻质材料进行一体化成形设计制造，其密度为2 760 kg/m3，弹性模量为70 GPa，泊松比为0.33。采用约束托架底部螺纹孔内表面约束所有自由度的方法将模型完全固定约束，托架与火箭筒采取Frictionless接触方式[11]，如图2所示。

图2 模型创建

1.2 网格划分

网格划分是建立有限元模型的重要环节。有限元网格划分得越细，精度越高，计算成本就越大，因此网格划分应合理，这样既满足需要，又不会产生过大的计算量[12]。

由于托架结构较为复杂，模型整体均采取四面体网格进行划分，如图3所示，共计产生154 707个节点数，98 479个单元数。四面体网格划分具有划分简单、便于保留模型细节特征及同等网格数量下计算成本低的优点[13]。对底部弯角结构内侧进行网格加密处理，如图4所示。

图3 网格划分

图4 加密处理

2 载荷加载

在工作状态下火箭筒结构不仅有静态载荷，还有部分冲击载荷，单纯通过静载荷进行受力分析，难以完成托架的结构设计和强度校核，同时也不能更好地满足托架结构的设计要求，故需对托架在特定冲击载荷作用下进行强度分析校核。

2.1 载荷分析

火箭筒结构的载荷分析问题是一个典型的受特定冲击载荷的零件动力学响应问题，参考航天结构在冲击载荷作用下的托架动强度评估方法，结合动态响应理论公式，得出了托架强度校核方法。参考文献[14]，托架结构在非周期载荷()作用下，其响应可以写成：

将试验托架所得冲击载荷–时间曲线（见图5）简化为三角波，简化的加载历程如图6所示，则载荷与时间的关系见式（2）。

式中：、、为常数；1为达到最大载荷时所需时间。

将式（2）带入式（1）并通过积分可求得响应与时间的函数，如式（3）所示。

图5 冲击载荷–时间曲线

图6 等效载荷–时间曲线

在最大载荷0的作用下，结构的静态位移如式（4）所示。

定义动态放大系数D()为动态响应位移与峰值力作用下静位移的比值，其计算见式（5）。

可以通过数值方法求得D()的极大值，即最大动响应，其计算见式（6）。

将式（6）作为评估托架动强度的简化公式，它只和载荷峰值对应的时间与托架的固有频率有关，且固有频率（10）不小于2[2]，将最大载荷0乘以D()max，就得到了托架冲击载荷作用下最大动响应当量静载荷，故可将其值作为当量参考进行受力分析和结构设计，并进行最终强度的校核[15]。

托架承受150 N的静态压力，考虑到动态作用下冲击载荷为静载荷2倍的作用效果，给出300 N的垂直力作为输入载荷，如图7所示。

2.2 加载求解

变形分析。图8为托架总变形图，最大变形出现在U形结构顶端，最大变形量为2.698 9×10−4m，变形量较小。

图7 载荷施加

图8 托架总变形图

应变分析。如图9和图10所示，最大应变出现在螺纹孔外侧底面连接结构位置，最大应变值为5.386 1×10−4。

图9 托架总应变图

图10 最大应变位置

应力分析。如图11和12所示，最大应力位置位于螺纹孔外侧底面连接结构处，最大应力值为38.241 MPa，远小于铝材料的屈服应力值280 MPa。

图11 托架总应力图

图12 最大应力位置

由强度分析结果可以看出，托架各部分受力和变形相对较小，强度裕量较大，可以对托架结构进行轻量化设计[16]。

3 托架轻量化设计

采用铝合金3D打印的制造方式进行一体化设计制造[17]，在此基础上进行拓扑优化，拓扑优化能更大程度地发挥增材制造的优势，而增材制造可直接成形镂空点阵、中空夹层、一体化等复杂轻量化结构零件[18]。

3.1 轻量化分析计算

为了进一步提升托架的力学性能、减轻结构质量，需对托架进行拓扑优化。拓扑优化是一种根据给定的载荷情况、约束状态和性能参数，在一定的空间内对材料及结构分布进行优化的数学方法，是对模型结构进行优化的一种方法，在满足结构强度的条件下进行迭代计算，从而求得目标函数在条件范围内的极值，得到优化设计的最佳方案[19]。拓扑优化的数学函数表达式见式（7）。

式中：()为模型设计的目标函数；为模型设计的变量；g()为模型设计的状态变量。

为了得到最佳材料比值和结构的托架优化模型，在满足托架模型强度和刚度的前提下进行拓扑优化设计，通过ANSYS Workbench的优化模块Shape Optimizaton在进行多次迭代分析计算后，得到拓扑优化结果，对低应力区域做镂空减重处理[20]，结果如图13所示。原托架质量为367.653 g，轻量化后零件质量为214.118 g，整体质量减轻了153.535 g，减少了41.76%。

图13 轻量化设计

3.2 优化结构检验

为验证托架优化后的合理性，需对优化后托架重新进行载荷分析，对结构强度进行校核。

变形分析。如图14所示，最大变形出现在U形结构顶部尖端，最大变形量为3.614×10−3m。

图14 优化后托架总变形图

应变分析。如图15所示，最大应变出现在U形结构内侧圆角位置，最大应变值为3.825 6×10−4。

应力分析。如图16所示，最大应力位于连接板H形结构内侧圆角处，最大应力值为247.25 MPa，小于铝材料的屈服应力值280 MPa。

表1为优化前与优化后的托架性能对比，优化后的各项参数仍能满足托架力学性能要求，并且整体质量减轻了153.535 g，减少了41.76%，效果明显。

图15 优化后托架总应变图

图16 优化后托架总应力图

表1 优化前与优化后的托架性能对比

Tab.1 Comparison of bracket performance before and after optimization

4 结语

针对火箭筒的托架零件，完成了从传统焊接成形到一体化成形的加工转变方式，提高了成形效率，节省了耗材，并对托架结构进行了强度校核分析及结构优化。通过对托架在冲击载荷下进行有限元分析，可以得到一定载荷下托架变形量和材料应力的最大值以及分布情况，从而确定托架能否满足强度要求。在满足强度要求的前提下对托架结构进行拓扑优化设计，以实现质量减轻的目的，最终获得了一种适合3D打印成形的轻量化托架连接件。实验结果表明，托架整体质量减轻了153.535 g，减少了41.76%，该实验结果对火箭筒发射器有重要的实际意义。

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Analysis and Lightweight Design of Integrated Forming of Rocket Launcher Bracket Parts

LIU Xiao-yang1, HUO Zeng-hui1, HUANG Feng-shan1, MAN Xiao-fei1, CHENG Wei-ya2

(1. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050000, China; 2. Hebei Institute for Drug and Medical Device Control, Shijiazhuang 050200, China)

The work aims to study the integrated forming of some rocket launcher bracket parts and the structural lightweight design method under working load. A rapid integrated forming method for aluminum alloy based on 3D printing manufacturing was proposed. Combined with finite element analysis and theoretical formula, the structural strength evaluation method of the integrated bracket under impact load was obtained, and the deformation, strain and stress were analyzed. On this basis, the lightweight optimization design of the bracket was carried out.Under the condition of meeting the strength requirements, the weight of the integrated bracket was reduced by 153.535 g, with a decrease of 41.76% compared with the weight of bracket subject to traditional forming, and the weight reduction effect was obvious. The integrated forming of the bracket is realized, and the lightweight design of the bracket is completed. The research results provide a reference for the integrated forming of rocket launcher parts and the lightweight design of the structure under impact load.

rocket launcher bracket; integrated forming; impact load; finite element analysis; lightweight design; 3D printing

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.012

TP391.7

A

1674-6457(2022)07-0086-06

2021–10–30

河北省重点研发计划；科技创新专项（19251809D）

刘晓阳（1985—），男，硕士，副教授，主要研究方向为数字化设计与制造。

黄风山（1970—），男，博士，教授，主要研究方向为机器视觉、深度学习与逆向工程。

责任编辑：蒋红晨