航空弹药弹体结构强度分析及优化设计

　　摘要为降低航空弹药弹体结构质量，提升产品综合性能，对弹体结构进行轻量化优化设计。基于静力等效韧度原则，分析结构传力路径，应用形状优化及自由形状优化设计方法，改变承力位置局部结构，采用铝合金材料替换高强度钢实现结构轻量化。提出适用于一般工程应用的减重优化设计思路，在高应力区增加材料尺寸进行应力补偿，低应力区进行尺寸缩减，并在局部结构突变位置增加倒角等措施以降低应力集中，材料替换后保证弹体结构可靠性。经过优化，弹翼安装结构质量由6.6kg降至2.6kg，降幅达60%，同时可减轻配重约4.7kg，效果显著。

　　关键词弹体结构;轻量化;结构优化;等效韧度;自由形状优化

　　对于远程航空弹药而言，在同等质量条件下，弹体结构质量的减少，可增加有效载荷、提升飞行速度、增加飞行距离。在保证强度及刚度的基础上，弹体质量降低，可提升产品控制能力及产品射程，获得更好的操纵性和动力性，提高武器总体性能。弹体结构轻量化设计是航空弹药总体结构设计研究的关键技术及热点问题[1-3]。

　　实现弹体结构轻量化的途径主要包括轻量化结构优化设计、轻质材料的开发研究及先进制造工艺研究[4]。在弹体轻量化结构优化设计方面，科研及工程设计人员做了相关研究工作，张亮亮[5]通过多学科集成设计对导弹各学科开展集成设计，实现导弹起飞质量最轻的目标，并摸索出一套工程化的应用方法;高宗战等[6]应用工程算法对舵面结构进行三向刚度的等代设计，开展复合材料替代金属材料的优化设计，通过优化，结构质量减轻一半左右，还有其他工程设计人员基于不同优化方法对导弹及其相关结构进行了优化，达到优化目标[7-9]。

　　在航空弹药弹体结构设计过程中，弹翼安装结构最大应力超过700MPa，其结构材料只能选用高强度钢，导致结构质量偏重，并且为了调整质心位置，需要在弹体前部增配重，弹体消极质量增加较多。以往弹体结构设计过程中，对射程要求不高，质量指标较为宽松，通常以弹体结构通过静力试验考核为标准，忽略了弹体结构轻量化优化设计，甚至会影响武器总体性能的发挥。

　　本文尝试用铝合金材料代替高强度钢，采用等效静力韧度设计原则，在保证力学性能的前提下，通过分析传力路径，基于形状优化及自由形状优化方法进行结构优化设计，保证弹体结构强度及刚度，解决产品设计过程中结构质量过重问题，实现弹体结构轻量化。

　　优化分析理论结构优化技术是当前计算机辅助工程分析设计发展的热点，在学术研究方面主要变密度法、均匀化法、水平集法及各种优化准则，优化方法主要有拓扑优化、形貌优化、自由尺寸优化、尺寸优化、形状优化及自由形状优化，其中前三种优化方式主要应用在概念设计阶段，后三种优化方式则适用于详细设计阶段[10-11]。本文涉及的优化过程属于详细设计阶段，采用直接改变有限元网格单元节点位置优化产品几何形状的形状优化及自动确定所选优化区域的最佳结构形状的自由形状优化两种优化方法相结合的方式，确定最终优化方案。

　　1.1近似模型拟合

　　直接对有限元模型进行优化，那么在进行每次迭代时都将进行多次求解计算，计算量很大。如果所采用的有限元模型是隐式的，还需进行显式近似模型转化。得到显式近似模型的方法是利用灵敏度信息对设计响应进行展开。最优解的方法可以采用直接法和对偶法两大类方法。

　　1.2收敛准则

　　优化问题求解收敛的判断标准是连续两次迭代的目标值小于收敛容差，用户可自己确定收敛容差，对于一般问题也可以使用系统默认的收敛容差，容差值为0.5%，此外，还可以通过限制迭代次数来完成优化问题计算，用户也可自己设定迭代次数，系统默认的最多迭代次数为30，当达到30次迭代时，系统自动结束优化迭代，完成优化。优化求解完成后，工程师们最关心的问题就是找到的最优解是否是全局最优解。实际上，很难找到满足全部要求的全局最优解，而在工程应用中，全局最优解往往难以找到，只要满足工程需要就可以认为是最优解。

　　2优化问题描述

　　在某型航空弹药产品结构设计过程中，其弹翼安装结构应力水平较高，为满足强度及刚度要求，其原始设计使用的是高强度钢框结构。

　　2.1问题分析及优化思路

　　近年来轻质合金在弹体所用材料中比例不断上升，特别是铝合金的应用更具前景，采用先进的设计方法和理论计算，“以铝代钢”是弹体结构减重的重要措施。因此，本文中弹体结构优化思路基于静力等效韧度原则，通过分析传力路径，在不显著增加质量的前提下，合理优化结构尺寸，充分发挥铝合金材料机械性能，通过材料替换及结构优化大幅降低结构质量。

　　本文所用的超高强度钢材料为35CrMnSiA，材料密度为7850kg/m3，屈服强度为835MPa，铝合金材料2A12，材料密度为2800kg/m3，屈服强度为275MPa。在优化过程中发现，此结构设计到装配定位及约束较多，且设计阶段已处于详细设计阶段，因此本文采用的优化方式为形状优化及自由形状优化。

　　通过分析，发现结构应力较大位置处于翼轴安装角附近区域，而两个翼轴安装角之间的区域应力并不大，可以适当减少材料使用。给出原始结构中应力范围超出275MPa的区域，高于此应力值的区域(有颜色区域，高应力区)需要优化传力路径及加强，低于此应力值的区域(灰色区域，低应力区)可以适当削弱，从而达到充分利用材料的目的。

　　2.2高应力区整体优化

　　为保证结构满足其使用要求，需先降低高应力区应力，降低高应力区应力是能否完成结构优化的关键。优化目标的实现过程需要多次循环和迭代。根据其应力结果及传力路径分析，首先需在高应力区填补材料，优化结果表明其应力峰值下降显著。应力峰值从719MPa下降到357MPa，高应力区范围急剧减小。

　　2.3结构刚度优化

　　结构设计需要在满足强度的同时保证材料具有足够的刚度，优化前后翼片安装框位移响应及舱体整体位移响应云图。优化前舱体整体及翼片安装框最大位移均发生在翼片安装框翼轴安装区域附近，其值为1.45mm。优化后位移响应最大值位置没有发生变化，但其数值有所降低，大小为0.69mm。可见，优化后结构不仅在强度上满足使用要求，其刚度也有所提高，满足使用要求。

　　3静力试验验证为保证弹体结构可靠性，航空弹药弹体结构必须经过静力试验考核。将优化后铝合金弹体结构进行装配，并进行静力试验验证。根据有限元计算结果在结构应力较大位置处黏贴应变片以确定其应力水平并验证有限元仿真的准确性，静力试验与仿真应力结果对比。

　　4结论

　　优化后结构件质量由6.6kg降至2.6kg，减重总重4.0kg，质量降低幅度达60%。同时，可减轻配重约4.7kg，因此，通过结构优化，共降低消极质量8.7kg，减重效果明显。同时，在后续螺接制孔及安装过程中，铝合金材料提高产品的工艺性能及装配性能。通过结构优化分析过程还得到可供工程设计中参考的相关结论：

　　1)结构优化分析首先应对结构受力形式及应力结果进行分析，其结构应力范围整体如处于许用应力的70%～80%，则可认为此结构材料利用率较高，可优化空间不大。如果结构局部应力较高，甚至超出许用应力，但是还有较大部分低应力区，则此结构存在优化空间，可分析结构传力路径后进行优化。2)优化过程中，可将结构划分为高应力区及低应力区，针对不同应力区域使用不同优化策略。高应力区主要考虑传力路径填补材料，改变高应力区结构特征;低应力区可通过自由形状优化设置优化目标，降低结构厚度，达到充分利用材料的目的。

　　航空材料论文投稿期刊：《宇航学报》(月刊)创刊于1980年，由中国宇航学会主办。本刊立足于反映中国宇航界在理论、技术和前瞻性研究中所取得的最新科技成果,促进国内外学术交流,为培养科技人才，发展中国航天事业和实现科技现代化服务。

　　3)弹体结构中受力较大位置，应避免结构形状突变，避免凹槽、截面积突变、尖角及切口等，减少产生应力集中，改善应力分布。可在棱角位置加工成倒角，倒角可以有效的避免结构突变产生的应力集中，降低应力响应幅值，提高结构强度性能及疲劳寿命，在加工制造过程中，倒角也可避免对装配人员的划伤。4)优化过程是系统工程，优化过程中不仅需要考虑结构本身的强度刚度等性能，还要考虑产品加工工艺、装配过程、加工制造成本等多方面因素。

　　参考文献

　　[1]任怀宇,张铎.总体结构优化在导弹总体设计中应用[J].宇航学报,2005(S1):100-105.RENHuaiyu,ZHANGDuo.Theapplicationofsystemsstructuresoptimizationinmissilesystemdesign[J].JournalofAstronautics,2005(S1):100-105.(inChinese)

　　[2]罗楚养,孙毓凯,王文博,等.空空导弹结构技术的研究进展[J].航空兵器,2019,26(5):1-10.LUOChuyang,SUNYukai,WANGWenbo,etal.Researchprogressonstructuretechnologyofair-to-airmissile[J].AeroWeaponry,2019,26(5):1-10.(inChinese)

　　[3]陈世锋,汤晓云,姚达斌,等.PPS复合材料在空空导弹导引部件承力结构件上的应用研究[J].航空兵器,2020,27(2):97-102.

　　作者：徐智强，章丽丽，吴会菊，徐国徽

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