劉曉陽，霍增輝，黃風山，滿曉飛，程偉亞

火箭筒托架零件一體化成形分析及輕量化設(shè)計

劉曉陽1，霍增輝1，黃風山1，滿曉飛1，程偉亞2

（1.河北科技大學 機械工程學院，石家莊 050000；2.河北省藥品醫(yī)療器械檢驗研究院，石家莊 050200）

研究某型號火箭筒托架零件一體化成形及工況載荷下的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法。提出了基于3D打印制造的鋁合金一體化快速成形方法，并結(jié)合有限元分析和理論公式，得出了一體化托架在沖擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)強度評估方法，進行了變形、應(yīng)變及應(yīng)力分析，在此基礎(chǔ)上對托架進行了輕量化優(yōu)化設(shè)計。在滿足強度要求的情況下，一體化托架相對傳統(tǒng)成形整體質(zhì)量減輕了153.535 g，減少了41.76%，效果明顯。實現(xiàn)了托架的一體化成形，完成了托架的輕量化設(shè)計，研究結(jié)果為火箭筒零件一體化成形及沖擊載荷下結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計提供了參考。

火箭筒托架；一體化成形；沖擊載荷；有限元分析；輕量化設(shè)計；3D打印

某型號單兵火箭筒發(fā)射器托架的作用是對發(fā)射器筒體進行支撐和定位，調(diào)節(jié)筒體角度，保證在發(fā)射火箭彈時整個裝置的整體平衡性。托架為馬蹄形焊接結(jié)構(gòu)，其下端設(shè)有與三腳架連接的底座，上端為馬蹄形的支撐，支撐連段通過銷釘與火箭筒連接，如圖1所示。馬蹄形托架為高強度鋼的托架，形狀較復雜，且加工面較多，質(zhì)量大，不能滿足野外裝備輕量化的要求，并且過高的焊接熱輸入以及較大的電弧壓力會導致其成形質(zhì)量差，成形精度較低，冷卻后的托架會產(chǎn)生變形，進而影響整個托架與火箭筒之間的配合精度，很難保證高精度定位和快速調(diào)節(jié)等要求。故在滿足強度要求的前提下，對托架加工成形方式和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化是提高發(fā)射器性能的關(guān)鍵[1]。

圖1 托架結(jié)構(gòu)圖

3D打印技術(shù)打破了托架焊接成形現(xiàn)狀，3D打印通過逐層添加材料的成形方式加工零件，與傳統(tǒng)成形方式相比，3D打印技術(shù)不僅具有節(jié)約材料、成形快等優(yōu)點，還可直接成形鏤空點陣、中空夾層、一體化等復雜輕量化結(jié)構(gòu)零件，可進一步解放設(shè)計制造的自由度，故需對一體化成形托架進行強度校核及輕量化設(shè)計。

火箭筒托架結(jié)構(gòu)所承受的載荷形式多樣，不僅有靜載荷，還有部分沖擊載荷，單純采用靜載荷方法進行強度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計，不能很好地滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，故在特定沖擊載荷作用下對結(jié)構(gòu)強度進行計算分析很有必要。針對這一問題，王江等[2]將理論公式與有限元方法相結(jié)合，提出了在沖擊載荷下的托架動強度評估方法。田建明等[3]分析了載荷沖擊試驗的現(xiàn)狀，著重介紹了一種基于火炮發(fā)射原理的載荷沖擊試驗方法，對載荷沖擊曲線進行了比較和說明。閆晉輝等[4]建立了船體和基座結(jié)構(gòu)有限元模型，選用預應(yīng)力–動力分析求解方法計算預載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)。

針對面向3D打印技術(shù)的產(chǎn)品輕量化方法，劉晴等[5]對某火箭炮底架結(jié)構(gòu)進行了拓撲優(yōu)化，實現(xiàn)了對底架的全新結(jié)構(gòu)設(shè)計。孫成寬等[6]以某加固機箱的可拆卸托架為例進行了力學分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，利用ANSYS Workbench對其進行靜力分析和模態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上，基于變密度優(yōu)化方法進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。胡添翼等[7]通過拓撲優(yōu)化，獲得了一種適合3D打印成形的輕量化飛機連接件。陳繼文等[8]以碼垛機器人小臂為研究對象，設(shè)計了一種內(nèi)部填充蜂窩骨架的小臂模型，并通過增材制造技術(shù)對機器人小臂模型進行了打印，達到了輕量化的目的。Nguyen等[9]提出了一種采用拓撲優(yōu)化的創(chuàng)新設(shè)計工具的新方法，并對扳手進行了創(chuàng)新實驗設(shè)計，在確保扳手力學性能的前提下，得到了產(chǎn)品的最佳結(jié)構(gòu)。

1 托架結(jié)構(gòu)及模型創(chuàng)建

1.1 建立有限元模型

將在UG中創(chuàng)建的托架CAD三維模型導入到ANSYS軟件中，建立托架的有限元模型[10]。為使計算環(huán)境逼近實際使用情況，將簡化的火箭筒通過質(zhì)心部轉(zhuǎn)軸放置于托架U形口頂部槽內(nèi)，以此實現(xiàn)火箭筒及火箭彈重力的施加作用，后期加載計算中直接略去火箭筒及火箭彈模型，在托架U形口頂部槽下表面施加同等作用的壓力作為火箭筒及火箭彈的重力。

托架采用鋁合金輕質(zhì)材料進行一體化成形設(shè)計制造，其密度為2 760 kg/m3，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.33。采用約束托架底部螺紋孔內(nèi)表面約束所有自由度的方法將模型完全固定約束，托架與火箭筒采取Frictionless接觸方式[11]，如圖2所示。

圖2 模型創(chuàng)建

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)。有限元網(wǎng)格劃分得越細，精度越高，計算成本就越大，因此網(wǎng)格劃分應(yīng)合理，這樣既滿足需要，又不會產(chǎn)生過大的計算量[12]。

由于托架結(jié)構(gòu)較為復雜，模型整體均采取四面體網(wǎng)格進行劃分，如圖3所示，共計產(chǎn)生154 707個節(jié)點數(shù)，98 479個單元數(shù)。四面體網(wǎng)格劃分具有劃分簡單、便于保留模型細節(jié)特征及同等網(wǎng)格數(shù)量下計算成本低的優(yōu)點[13]。對底部彎角結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)進行網(wǎng)格加密處理，如圖4所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 加密處理

2 載荷加載

在工作狀態(tài)下火箭筒結(jié)構(gòu)不僅有靜態(tài)載荷，還有部分沖擊載荷，單純通過靜載荷進行受力分析，難以完成托架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核，同時也不能更好地滿足托架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，故需對托架在特定沖擊載荷作用下進行強度分析校核。

2.1 載荷分析

火箭筒結(jié)構(gòu)的載荷分析問題是一個典型的受特定沖擊載荷的零件動力學響應(yīng)問題，參考航天結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的托架動強度評估方法，結(jié)合動態(tài)響應(yīng)理論公式，得出了托架強度校核方法。參考文獻[14]，托架結(jié)構(gòu)在非周期載荷()作用下，其響應(yīng)可以寫成：

將試驗托架所得沖擊載荷–時間曲線（見圖5）簡化為三角波，簡化的加載歷程如圖6所示，則載荷與時間的關(guān)系見式（2）。

式中：、、為常數(shù)；1為達到最大載荷時所需時間。

將式（2）帶入式（1）并通過積分可求得響應(yīng)與時間的函數(shù)，如式（3）所示。

圖5 沖擊載荷–時間曲線

圖6 等效載荷–時間曲線

在最大載荷0的作用下，結(jié)構(gòu)的靜態(tài)位移如式（4）所示。

定義動態(tài)放大系數(shù)D()為動態(tài)響應(yīng)位移與峰值力作用下靜位移的比值，其計算見式（5）。

可以通過數(shù)值方法求得D()的極大值，即最大動響應(yīng)，其計算見式（6）。

將式（6）作為評估托架動強度的簡化公式，它只和載荷峰值對應(yīng)的時間與托架的固有頻率有關(guān)，且固有頻率（10）不小于2[2]，將最大載荷0乘以D()max，就得到了托架沖擊載荷作用下最大動響應(yīng)當量靜載荷，故可將其值作為當量參考進行受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行最終強度的校核[15]。

托架承受150 N的靜態(tài)壓力，考慮到動態(tài)作用下沖擊載荷為靜載荷2倍的作用效果，給出300 N的垂直力作為輸入載荷，如圖7所示。

2.2 加載求解

變形分析。圖8為托架總變形圖，最大變形出現(xiàn)在U形結(jié)構(gòu)頂端，最大變形量為2.698 9×10?4m，變形量較小。

圖7 載荷施加

圖8 托架總變形圖

應(yīng)變分析。如圖9和圖10所示，最大應(yīng)變出現(xiàn)在螺紋孔外側(cè)底面連接結(jié)構(gòu)位置，最大應(yīng)變值為5.386 1×10?4。

圖9 托架總應(yīng)變圖

圖10 最大應(yīng)變位置

應(yīng)力分析。如圖11和12所示，最大應(yīng)力位置位于螺紋孔外側(cè)底面連接結(jié)構(gòu)處，最大應(yīng)力值為38.241 MPa，遠小于鋁材料的屈服應(yīng)力值280 MPa。

圖11 托架總應(yīng)力圖

圖12 最大應(yīng)力位置

由強度分析結(jié)果可以看出，托架各部分受力和變形相對較小，強度裕量較大，可以對托架結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計[16]。

3 托架輕量化設(shè)計

采用鋁合金3D打印的制造方式進行一體化設(shè)計制造[17]，在此基礎(chǔ)上進行拓撲優(yōu)化，拓撲優(yōu)化能更大程度地發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢，而增材制造可直接成形鏤空點陣、中空夾層、一體化等復雜輕量化結(jié)構(gòu)零件[18]。

3.1 輕量化分析計算

為了進一步提升托架的力學性能、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，需對托架進行拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化是一種根據(jù)給定的載荷情況、約束狀態(tài)和性能參數(shù)，在一定的空間內(nèi)對材料及結(jié)構(gòu)分布進行優(yōu)化的數(shù)學方法，是對模型結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的一種方法，在滿足結(jié)構(gòu)強度的條件下進行迭代計算，從而求得目標函數(shù)在條件范圍內(nèi)的極值，得到優(yōu)化設(shè)計的最佳方案[19]。拓撲優(yōu)化的數(shù)學函數(shù)表達式見式（7）。

式中：()為模型設(shè)計的目標函數(shù)；為模型設(shè)計的變量；g()為模型設(shè)計的狀態(tài)變量。

為了得到最佳材料比值和結(jié)構(gòu)的托架優(yōu)化模型，在滿足托架模型強度和剛度的前提下進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，通過ANSYS Workbench的優(yōu)化模塊Shape Optimizaton在進行多次迭代分析計算后，得到拓撲優(yōu)化結(jié)果，對低應(yīng)力區(qū)域做鏤空減重處理[20]，結(jié)果如圖13所示。原托架質(zhì)量為367.653 g，輕量化后零件質(zhì)量為214.118 g，整體質(zhì)量減輕了153.535 g，減少了41.76%。

圖13 輕量化設(shè)計

3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)檢驗

為驗證托架優(yōu)化后的合理性，需對優(yōu)化后托架重新進行載荷分析，對結(jié)構(gòu)強度進行校核。

變形分析。如圖14所示，最大變形出現(xiàn)在U形結(jié)構(gòu)頂部尖端，最大變形量為3.614×10?3m。

圖14 優(yōu)化后托架總變形圖

應(yīng)變分析。如圖15所示，最大應(yīng)變出現(xiàn)在U形結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)圓角位置，最大應(yīng)變值為3.825 6×10?4。

應(yīng)力分析。如圖16所示，最大應(yīng)力位于連接板H形結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)圓角處，最大應(yīng)力值為247.25 MPa，小于鋁材料的屈服應(yīng)力值280 MPa。

表1為優(yōu)化前與優(yōu)化后的托架性能對比，優(yōu)化后的各項參數(shù)仍能滿足托架力學性能要求，并且整體質(zhì)量減輕了153.535 g，減少了41.76%，效果明顯。

圖15 優(yōu)化后托架總應(yīng)變圖

圖16 優(yōu)化后托架總應(yīng)力圖

表1 優(yōu)化前與優(yōu)化后的托架性能對比

Tab.1 Comparison of bracket performance before and after optimization

4 結(jié)語

針對火箭筒的托架零件，完成了從傳統(tǒng)焊接成形到一體化成形的加工轉(zhuǎn)變方式，提高了成形效率，節(jié)省了耗材，并對托架結(jié)構(gòu)進行了強度校核分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過對托架在沖擊載荷下進行有限元分析，可以得到一定載荷下托架變形量和材料應(yīng)力的最大值以及分布情況，從而確定托架能否滿足強度要求。在滿足強度要求的前提下對托架結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)質(zhì)量減輕的目的，最終獲得了一種適合3D打印成形的輕量化托架連接件。實驗結(jié)果表明，托架整體質(zhì)量減輕了153.535 g，減少了41.76%，該實驗結(jié)果對火箭筒發(fā)射器有重要的實際意義。

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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

河北省重點研發(fā)計劃；科技創(chuàng)新專項（19251809D）

劉曉陽（1985—），男，碩士，副教授，主要研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造。

黃風山（1970—），男，博士，教授，主要研究方向為機器視覺、深度學習與逆向工程。

責任編輯：蔣紅晨