一种迫击炮座钣轻量化方法技术

本发明专利技术公开了一种迫击炮座钣轻量化方法，通过动态应力分析、拓扑优化和结构设计得到了迫击炮座钣的钛合金承力骨架；通过对座钣结构进行复合材料铺层及优化确定座钣的筋钣厚度，最终得到了轻量化的座钣。本发明专利技术通过对迫击炮座钣的结构优化设计和轻质复合材料的使用实现了座钣的轻量化目标，减轻结构重量20％以上，有利于提高迫击炮的机动性能。

A lightweight mortar base plate method

【技术实现步骤摘要】
一种迫击炮座钣轻量化方法
本专利技术涉及迫击炮结构设计及优化技术，具体是涉及一种迫击炮座钣轻量化方法。
技术介绍
迫击炮是高射界射击的滑膛火炮，以座钣承受后坐力发射带尾翼弹。座钣是迫击炮特有的主要承载构件，借助于土壤抗力实现对迫击炮的反后坐。为保证射击稳定性，大口径迫击炮座钣的质量很大，特别不利于迫击炮的人工携带和陆航运输，因此迫击炮的轻量化对于山地战、城市作战等情况具有非常重要的意义。马洪峰等通过多目标优化方法获得了一种座钣的新结构；张孝明等通过对迫击炮座钣的拓扑优化和结构设计获得了一种座钣的轻量化结构。这两种方案都仅改进了迫击炮的座钣结构，并未考虑轻质材料在座钣上的应用。现有文献针对结构优化设计和复合材料薄壁铺层的问题有一定研究，但是很少有将两者结合应用在迫击炮座钣设计上。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种迫击炮座钣轻量化方法，通过座钣的结构设计及碳纤维增强树脂基复合材料的应用，减轻座钣结构质量。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种迫击炮座钣轻量化方法，包括以下步骤：步骤1、进行迫击炮座钣有限元建模；步骤2、对有限元模型进行动态有限元分析，得到座钣的应力分布结果；步骤3、对有限元模型进行拓扑优化，得到座钣设计空间的载荷传递路径；步骤4、根据应力分布和拓扑优化结果，设计座钣钛合金承力骨架；步骤5、对座钣钛合金承力骨架之外的部分铺设复合材料；步骤6、对复合材料层合板进行厚度优化，即得轻量化的迫击炮座钣。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：本专利技术将结构优化设计方法与轻质复合材料铺层及优化方法相结合，兼顾了迫击炮座钣的承载特性和结构要求，使座钣的轻量化效果明显，对迫击炮伴随步兵的特性十分有利，同时也能为其他常规武器承载结构的轻量化设计提供一定的参考。附图说明图1为迫击炮座钣结构示意图；图2为迫击炮座钣有限元模型图；图3为迫击炮载荷曲线图；图4为迫击炮座钣应力云图；图5为迫击炮座钣拓扑优化结果示意图；图6为迫击炮座钣钛合金承载骨架图。具体实施方式下面结合附图和实施例，进一步阐述本专利技术方案。一种应用复合材料的迫击炮座钣轻量化方法，结合结构优化设计和轻质复合材料薄壁铺层及优化方法，在保证整体结构刚强度的前提下，完成迫击炮座钣的减重目标,具体步骤如下:步骤1、在HyperMesh中进行迫击炮座钣有限元建模；步骤2、对有限元模型进行应力分析：对模型的炮尾球截面施加膛底压力载荷，在ABAQUS中进行座钣的动态有限元分析，得到座钣的应力分布结果。步骤3、对有限元模型进行拓扑优化：以体积分数最小化为优化目标，以设计空间(除去座钣驻锄、驻臼以外的钣筋结构)的单元密度为设计变量，以座钣各筋钣的应力响应为约束条件，以三倍单元平均尺寸作为最小成员尺寸，在OptiStruct中进行模型的拓扑优化，寻求座钣设计空间的载荷传递路径。步骤4、根据应力分布和拓扑优化结果，设计座钣钛合金承力骨架：利用大应力位置和主要载荷传递路径构建座钣的钛合金骨架，将其余的小应力位置和不重要的材料结构去除。步骤5、对座钣钛合金承力骨架之外的部分铺设复合材料：使用碳纤维增强树脂基复合材料替代座钣的其他部分材料。为避免树脂直接受载，一个构件包含0°、±45°、90°四种铺层，相邻铺层夹角不大于60°，其中0°铺层用来承受轴向载荷；±45°铺层主要承受剪切载荷，以提高结构稳定性和耐冲击性能，降低应力集中；90°铺层主要承受横向载荷，控制泊松效应。根据复合材料层合板的承载特性，外层选用±45°铺层来保证稳定性和耐冲击性。步骤6、对复合材料层合板进行厚度优化：在HyperLaminate中创建复合材料层压板，以质量最小为设计目标，以钛合金钣件应力响应和复合材料的失效响应为设计约束，优化复合材料铺层厚度，即得轻量化的迫击炮座钣。实施例1：本实施例以梯形棱锥座钣为例进行试验仿真，原型结构如图1所示，全座钣结构质量为53.08kg。在HyperMesh中建立座钣结构和土壤耦合的有限元模型，如图2所示。座钣的材料为TC4钛合金，土壤选择中硬土，其材料的性能参数如表1所示。表1座钣材料的性能参数在ABAQUS中对座钣进行动态有限元分析。选择射角/方向角分别为0°/75、60°/75°、0°/85°、60°/85°的工况，在炮尾球截面上施加动态的膛底压力，膛压曲线如图3所示。计算结果表明，座钣的最大应力位置出现在身管轴线方向的大立筋上，较大应力区域也集中在座钣的大、小立筋上。而主要受力的区域为主钣与锥形盆相交的环形区域、大立筋靠近驻臼的部分、驻臼环形区域和背部的包筋上。其中工况(60°/75°)的座钣应力云图如图4所示。在OptiStruct中对迫击炮座钣进行拓扑优化，设计空间为除去座钣驻锄、驻臼以外的筋钣结构。最小成员尺寸为三倍网格单元平均尺寸。以体积分数最小为优化目标，以设计空间单元密度为设计变量，以座钣各筋钣的应力响应约束条件，得到座钣上的载荷传递路径，如图5所示。根据座钣的载荷传递路径和应力分布情况，设计钛合金承力骨架，其网格模型如图6所示。钛合金骨架包括以下部分：驻臼、主钣与锥形盆相交的环形区域、主钣上翻边的转折处、立筋及其与驻臼和包筋的相交位置、包筋上的载荷传递路径路径和驻锄。与大加强筋垂直相交的第二个小加强筋不是重要材料，予以去除，在大加强筋后半部分设置相应减重孔。同时为保证钛合金骨架的承载能力，根据迫击炮座钣设计的安全系数1.3，将筋钣材料从4.5mm加厚至6mm。应用碳纤维增强树脂基复合材料对其余结构进行铺层，包括主钣部分、包筋部分和锥形盆部分。选择碳纤维T700和环氧树脂复合的材料，参数如表2所示。在HyperLaminate中创建复合材料层压板，以质量最小为设计目标，以钛合金钣件应力响应和复合材料不失效为设计约束，优化复合材料铺层厚度。铺层角度选择(-45°，0°，45°，90°)。优化后，主钣复合材料的单层铺层厚度为0.54mm，锥形盆复合材料的单层铺层厚度为0.42mm，包筋复合材料的单层铺层厚度为1.12mm。优化后的迫击炮座钣结构质量为40.68kg。表2碳纤维T700和环氧树脂复合的参数表对采用本专利技术方法得到的迫击炮座钣进行应力分析，载荷、工况、边界条件、接触都与优化前的计算模型相同。座钣优化前后的有限元计算刚强度结果对比结果如表3所示。采用本专利技术方法优化的迫击炮座钣满足性能指标，座钣结构减重23.36％。表3座钣优化前后的有限元计算刚强度结果对比结果表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种迫击炮座钣轻量化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、进行迫击炮座钣有限元建模；步骤2、对有限元模型进行动态有限元分析，得到座钣的应力分布结果；步骤3、对有限元模型进行拓扑优化，得到座钣设计空间的载荷传递路径；步骤4、根据应力分布和拓扑优化结果，设计座钣钛合金承力骨架；步骤5、对座钣钛合金承力骨架之外的部分铺设复合材料；步骤6、对复合材料层合板进行厚度优化，即得轻量化的迫击炮座钣。

【技术特征摘要】
1.一种迫击炮座钣轻量化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、进行迫击炮座钣有限元建模；步骤2、对有限元模型进行动态有限元分析，得到座钣的应力分布结果；步骤3、对有限元模型进行拓扑优化，得到座钣设计空间的载荷传递路径；步骤4、根据应力分布和拓扑优化结果，设计座钣钛合金承力骨架；步骤5、对座钣钛合金承力骨架之外的部分铺设复合材料；步骤6、对复合材料层合板进行厚度优化，即得轻量化的迫击炮座钣。2.根据权利要求1所述的迫击炮座钣轻量化方法，其特征在于，步骤1在HyperMesh中建立座钣结构的有限元模型。3.根据权利要求1所述的迫击炮座钣轻量化方法，其特征在于，步骤2对模型的炮尾球截面施加膛底压力载荷，并在ABAQUS中进行座钣的动态有限元分析，得到座钣的应力分布结果。4.根据权利要求1所述的迫击炮座钣轻量化方法，其特征在于，步骤3以体积分数最小化为优化目标，以设计空间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雪嫣，葛建立，王振，王浩，徐凤杰，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32