鞏博瑞，王向勝，王天文，張信虎，任啟愿，周文卿

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

1 輕量化在火炮設(shè)計中的重要性

隨著軍事科技的發(fā)展，以立體化、海陸空多方位、多軍種協(xié)同作戰(zhàn)的受核武器威脅常規(guī)性局部戰(zhàn)爭成為未來戰(zhàn)爭的主要模式[1]。鑒于現(xiàn)代戰(zhàn)場的流動性，要求武器裝備具有快速部署、快速響應(yīng)、快速運輸?shù)哪芰Αp輕武器裝備質(zhì)量，對于提高裝備的作戰(zhàn)平臺適應(yīng)性、機動性、作戰(zhàn)人員戰(zhàn)場生存能力等具有重要的積極意義。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化、無人化、智能化的發(fā)展，火炮逐漸由傳統(tǒng)的戰(zhàn)略支援作用逐漸向著作戰(zhàn)主力轉(zhuǎn)變。以俄羅斯“蓮花”空降自行火炮、美國M1064A3兩棲自行火炮、美國AC-130空中炮艇等新型火炮在實戰(zhàn)中的應(yīng)用，標志著傳統(tǒng)火炮逐漸突破陸基平臺限制，向著海上、空中等平臺發(fā)展。輕量化設(shè)計可科學、合理、高效地減輕火炮質(zhì)量，有利于提高火炮部署、機動、運輸?shù)饶芰?，有利于裝備向著如空、海等作戰(zhàn)平臺的拓展，在火炮設(shè)計中受到越來越多的關(guān)注。

2 輕量化主要思想及方法

輕量化設(shè)計是對構(gòu)件進行設(shè)計，使其在滿足使用要求的情況下，質(zhì)量盡可能小，具體到火炮武器裝備設(shè)計中，使用要求不僅包括如傾斜、壓彎、擊穿、斷裂、凸起等靜態(tài)穩(wěn)定性，還包括如顫動、諧振等動態(tài)穩(wěn)定性。在實際設(shè)計工作中，一般結(jié)合零部件最常見失穩(wěn)工況，選取單個或多個特性，采用準確可靠優(yōu)化計算方法，盡可能將材料負載均勻化。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計方法相同，火炮設(shè)計中的輕量化一般可分為材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、多學科設(shè)計優(yōu)化。

2.1 材料輕量化

傳統(tǒng)火炮裝備中零部件材料以鋼材為主，隨著材料學科的發(fā)展，已經(jīng)有越來越多的新材料逐漸應(yīng)用于火炮設(shè)計中[2]，如高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料。表1所示為幾種常用金屬材料的性能指標。

表1 火炮裝備常用金屬材料力學性能

鑄鋁常應(yīng)用于底盤輪轂和各種瞄準、高低方向隨動、作戰(zhàn)指揮、信息記錄等控制類及軟件處理類箱體；鋁合金一般用于非承力件或載荷相對較小承力件，如瞄準裝置底座[3]。潘玉田等[4]對履帶式自行火炮負重輪輪轂進行輕量化設(shè)計，將越野狀態(tài)載荷加載到負重輪轂進行靜力分析，研究了鋁合金輪轂的安全性。張忠營等[5]采用等溫擠壓成型技術(shù)加工了7A04鋁合金負重輪，通過試驗得到材料力學性能參數(shù)，進行運動學分析和動力學分析驗證了負重輪的安全性，結(jié)果表明鋁合金車輛有利于降低車輛行駛中的振動，提高機動性，改善車輛的操作穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

鎂合金是比模量最高和比強度僅次鈦合金的金屬結(jié)構(gòu)材料，在武器裝備領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[6]，質(zhì)量輕、抗拉強度高，尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊、耐磨性能好，導(dǎo)電、導(dǎo)熱、屏蔽性能優(yōu)異，具有一定的耐蝕性，常用于電氣產(chǎn)品箱體、小尺寸或異性支架等。相較鋁合金而言，鎂合金制造成本相對較高，僅當有散熱、沖擊、電磁干擾等方面特殊要求時可作為鋁合金的替代材料。

鈦合金具有高比強、耐腐蝕、無磁等優(yōu)異性能，常見于車體底盤、裝甲等。隨著國內(nèi)外大量相關(guān)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究、低成本技術(shù)研究，鈦合金逐漸成為武器裝備輕量化和提升性能的首選材料[7-9]，但因較高的成本仍限制了其并不能較大規(guī)模應(yīng)用。20世紀70年代，我國開展了鈦合金在火炮中的研制工作，100 mm迫擊炮研制中采用的鈦合金底板比鋼制減少10 kg，82 mm全鈦合金空降迫擊炮比鋼制減少16.6 kg，但并未取得較大的突破性進展，且實際應(yīng)用極少[10]。任慶華等[11]結(jié)合國內(nèi)外武器裝備實例，介紹了鈦合金材料在牽引火炮、自行火炮、裝甲車輛、彈藥中的應(yīng)用。劉嘉鑫等[12]以鈦合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)炮鋼材料，基于增材制造技術(shù)，設(shè)計了一種新型復(fù)雜結(jié)構(gòu)炮口制退器，減輕了質(zhì)量，增強了承載能力，提高了火炮射擊穩(wěn)定性。國外如美、英、俄羅斯等，對鈦合金在武器裝備中的使用也進行了較多研究，都取得了較大的成果。鈦合金在武器準備的典型應(yīng)用如表2所示。

表2 國內(nèi)外典型武器裝備典型減重方法及效果

復(fù)合材料比強度、比剛度高，可設(shè)計性強，抗疲勞性能好，在身管纏繞、結(jié)構(gòu)和受力較為簡單的場合應(yīng)用較多。在身管設(shè)計中，使用纖維增強的鋁基、鈦基等輕質(zhì)復(fù)合材料在降低身管質(zhì)量的同時還可降低變形基振動，從而提高身管壽命[13]。譚繼宇等[14]結(jié)合數(shù)值方法，采用金屬內(nèi)襯外部纏繞纖維增強復(fù)合纖維殼加強身管強度，對火炮身管進行減重設(shè)計，獲得了減重16.5%且滿足強度要求的身管結(jié)構(gòu)。某小口徑自行火炮彈箱采用碳纖維環(huán)氧樹脂基及復(fù)合材料，在保證彈箱強度的前提下整體減重40%[15]。

2.2 結(jié)構(gòu)輕量化

結(jié)構(gòu)輕量化一般可通過拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化這3種方法實現(xiàn)[16]，拓撲優(yōu)化確定最佳傳力路徑，形狀優(yōu)化對局部進行再設(shè)計達到降低局部應(yīng)力、減重等目的，尺寸優(yōu)化通過對具體結(jié)構(gòu)尺寸進行調(diào)整以提升性能、降低質(zhì)量并滿足可加工性，各方法對應(yīng)不同的設(shè)計階段，相互關(guān)系如圖1所示，3種優(yōu)化方法遵循如式(1)所示的數(shù)學模型。

(1)

式中：X為設(shè)計變量矩陣；f(X)目標函數(shù)；hi(X)、gi(X)為約束函數(shù)。

2.2.1 拓撲優(yōu)化

相較于其他兩種方法，拓撲優(yōu)化理論基礎(chǔ)完善，設(shè)計空間廣闊，創(chuàng)新性強，減重效果顯著，且軟件開發(fā)適應(yīng)性強，主流結(jié)構(gòu)分析軟件如ABAQUS、ANSYS、HyperWorks、Comsol、OptiStruct等都有相應(yīng)優(yōu)化模塊，極大簡化了分析流程，因此國內(nèi)外有大量學者從事相關(guān)工作。

拓撲優(yōu)化是一種根據(jù)給定載荷、約束等邊界條件，以材料性能、結(jié)構(gòu)響應(yīng)等建立約束函數(shù)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計域內(nèi)材料進行分布優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其常見方法分類如圖2所示，其中變密度法(SIMP法)和水平集方法(Level Set Method)應(yīng)用最為廣泛。SIMP方法將連續(xù)體結(jié)構(gòu)離散化為有限個單元，以單元的材料密度為設(shè)計變量，人為將材料密度逼近0(代表無材料)或1(代表有材料)，通過連續(xù)迭代最終求解出給定設(shè)計空間內(nèi)最佳的材料分布。根據(jù)優(yōu)化目標的數(shù)量可分為單目標及多目標拓撲優(yōu)化。

2.2.1.1 單目標拓撲優(yōu)化

單目標拓撲優(yōu)化較為簡單，僅對目標結(jié)構(gòu)單一工況下進行優(yōu)化設(shè)計。張海航等[17]以火炮上架整體質(zhì)量最小為目標函數(shù)，針對某一確定工況，通過OptiStruct軟件進行拓撲優(yōu)化，使上架質(zhì)量減小了12.17%。邊海關(guān)等[18]以火炮發(fā)射時上架兩耳軸中心變位差為約束條件，以整體結(jié)構(gòu)體積最小為目標函數(shù)，利用HyperWorks進行拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后質(zhì)量及最大位移均有減小。孫玲慶等[19]以火炮翻板機構(gòu)回轉(zhuǎn)臂為研究對象，通過ANSYS對協(xié)調(diào)臂與回轉(zhuǎn)臂接觸狀態(tài)下機構(gòu)進行了靜力分析和拓撲優(yōu)化，優(yōu)化后最大等效應(yīng)力下降45%，質(zhì)量減少26%。葛堯等[20]結(jié)合有限元、代理模型等方法，以炮塔低階頻率降低為目標，通過拓撲優(yōu)化減重14.7%。劉朝勛等[21]通過ANSYS對負重輪輪盤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，考慮負重輪的三重非線性特性，以靜載荷下的最大等效應(yīng)力為狀態(tài)變量，優(yōu)化后減重10%。

2.2.1.2 多目標拓撲優(yōu)化

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中火炮是在多彈種、不同射擊平臺、不同姿態(tài)、不同外部環(huán)境等工況下使用的，不同工況下有不同動靜態(tài)響應(yīng)[22]。針對特定工況下的單目標優(yōu)化，有可能導(dǎo)致其他工況下結(jié)構(gòu)性能的降低甚至失效，因此有必要使用多目標優(yōu)化方法，折衷設(shè)計各分目標以達到整體最優(yōu)。郭曉雪等[23]針對同一方向角和高低角下，火炮后坐、復(fù)進兩種狀態(tài)下的上架受力情況，以剛度為目標函數(shù)，建立了基于歸一化指數(shù)加權(quán)準則與固體各向同性材料懲罰模型相結(jié)合的多目標優(yōu)化模型，并運用變密度法(SIMP)對火炮上架進行多目標拓撲優(yōu)化，找到滿足要求的多目標帕累托最優(yōu)解，質(zhì)量降低了54.27%。張新建等[24]針對火炮上架在3種典型工況下的有限元模型，利用層次分析法建立各工況權(quán)重組合系數(shù)，通過折衷規(guī)劃法的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法，在提高剛度的同時降低了質(zhì)量。

2.2.2 形狀優(yōu)化及尺寸優(yōu)化

拓撲優(yōu)化后模型表面普遍存在異形曲面、不規(guī)則棱角等，需要綜合考慮機械加工的工藝性、經(jīng)濟性進行模型重構(gòu)，一般通過形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化實現(xiàn)。形狀優(yōu)化是通過對局部區(qū)域進行形狀攝動，并運用優(yōu)化算法求解以得到滿足性能約束的最優(yōu)構(gòu)型。尺寸優(yōu)化以桿橫截面積、板厚度、孔半徑、特征位置等具體形狀的具體參數(shù)為設(shè)計變量，通過優(yōu)化算法尋找最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)組合。

孫全兆等[25]運用拓撲優(yōu)化方法尋找上架結(jié)構(gòu)的主傳力路徑，修改筋板布局，然后采用尺寸優(yōu)化方法進行詳細設(shè)計，優(yōu)化后最大位移減小了32.7%，耳軸中心變位差減小52.1%。張鑫磊等[26]結(jié)合有限元理論建立了某型火炮剛?cè)狁詈蟿恿W模型，以質(zhì)量和應(yīng)變能最小為設(shè)計目標，構(gòu)建徑向基函數(shù)近似模型，以搖架的外形尺寸及板厚為設(shè)計變量進行尺寸多目標優(yōu)化，優(yōu)化后搖架應(yīng)變能降低10%的同時結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低了6.8%。富威等[27]為提高某型艦炮搖架振動性能，首先基于SIMP法運用Workbench進行拓撲優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上基于遺傳算法對搖架參數(shù)尺寸進行優(yōu)化，降低了瞬態(tài)最大位移，減小了質(zhì)量。

綜上所述，結(jié)構(gòu)輕量化各方法之間是互為補充、相互完善的關(guān)系，因此建立集結(jié)構(gòu)拓撲、形狀、尺寸等要素于一體的火炮統(tǒng)一模型是輕量化設(shè)計的重要發(fā)展方向。

2.3 多學科設(shè)計優(yōu)化

多學科設(shè)計優(yōu)化指以火炮裝備整體性能為基礎(chǔ)，從設(shè)計的源頭出發(fā)，采用多學科綜合優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，耦合裝備各學科、各功能，構(gòu)建協(xié)同機制，明確全局設(shè)計目標的優(yōu)先度，對火炮各分系統(tǒng)、各單體的接口形式、連接形式等進行優(yōu)化，提高局部的協(xié)調(diào)性和裝備整體的統(tǒng)一性。

相對于結(jié)構(gòu)輕量化，多學科設(shè)計優(yōu)化更注重裝備多個性能之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。洪亞軍等[28]考慮內(nèi)彈道、后坐阻力、身管結(jié)構(gòu)、強度、剛度及壽命等多個學科，建立了火炮身管-反后坐裝置的集成模型，通過智能算法獲取Pareto最優(yōu)解，結(jié)果顯示身管質(zhì)量降低9.8%，后坐阻力減少50.4%?；趶椝幚碚摰膹?fù)雜性及重要性，有大量專家學者建立了火炮彈-炮-藥-后坐的多學科協(xié)調(diào)仿真模型，并取得了良好的設(shè)計優(yōu)化結(jié)果[29-32]。

通過合理的多學科設(shè)計優(yōu)化，在設(shè)計中可達到減少零件、合并零件、控制傳動鏈數(shù)量等目標。美國海軍金屬加工中心結(jié)合精密鑄造工藝特點，對零部件連接形式進行再設(shè)計，使M777輕型155 mm火炮核心部件總數(shù)從973減少到196，減少80%，如表3所示[33]。

表3 基于多學科設(shè)計的M777火炮部件數(shù)量對比

3 結(jié)論

1)輕量化設(shè)計是火炮武器裝備性能指標提升的重要途徑，對于裝備適應(yīng)現(xiàn)代軍事科學技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

2)隨著材料學科的發(fā)展，高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等已逐漸應(yīng)用于火炮設(shè)計中，鋁、鎂合金減重方案已經(jīng)較為成熟且應(yīng)用較為廣泛，鈦合金、復(fù)合材料有更多的工程研究，減重效果相較更為突出，應(yīng)用前景廣闊。

3)結(jié)構(gòu)輕量化是目前火炮設(shè)計中最常見的減重方式，主要通過拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化方式實現(xiàn)，目前研究多集中在火炮上架、炮塔等支撐結(jié)構(gòu)，多目標拓撲優(yōu)化尋找全局最優(yōu)，更為符合工程實際。

4)多學科設(shè)計優(yōu)化耦合了各學科、各功能，從設(shè)計的源頭出發(fā)，具有更廣闊的優(yōu)化空間、更靈活的優(yōu)化方式，減重效果最為顯著，是輕量化發(fā)展的重要趨勢。