優(yōu)化設計在導彈結構中的應用

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

結構優(yōu)化設計就是對各種工程結構設計問題,如重要結構參數的選擇、參數匹配、結構校核等,充分利用現代數學、物理、力學以及計算方法的最新成就,尋求最佳設計的一種理論與方法。導彈彈體是導彈武器系統(tǒng)的重要安全部件,承受沖擊、氣動等各種載荷,承擔著導引頭、陀螺、戰(zhàn)斗部、發(fā)動機、舵機等部件,其中不僅包括對振動、沖擊敏感的元件,而且包含火工品,所以,其結構設計必須可靠。以往主要采用靜強度設計方法設計,但隨著導彈性能要求不斷提高,傳統(tǒng)的設計方法已不能滿足需要。導彈彈體結構在滿足可靠性要求的基礎上,如何減輕質量,已是需要解決的重要問題之一。
結構優(yōu)化設計包含拓撲優(yōu)化、幾何優(yōu)化 (形狀和位置)、尺寸優(yōu)化等方面的內容。它既體現了該領域問題由淺入深的發(fā)展過程,同時,又反映出設計者對問題理解認識的不斷深入。結構優(yōu)化經歷 40多年的研究與發(fā)展,目前,尺寸優(yōu)化和幾何優(yōu)化技術已經比較成熟,在航空、航天、汽車等一些工業(yè)領域取得了成功的應用。而拓撲優(yōu)化仍然處在發(fā)展的初期,在應用方面相對來說還比較少,但已經成為結構優(yōu)化領域近年來的研究熱點之一,最佳結構拓撲在結構優(yōu)化設計中占有非常重要的地位。通過在導彈結構設計中,集成采用數字化設計、拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化技術,對導彈結構進行了一系列優(yōu)化研究,并建立了彈體結構的數字化設計、優(yōu)化流程。實踐研究表明,該設計平臺方法和優(yōu)化流程可以有效保證導彈結構優(yōu)化設計的效率和質量。
2 傳統(tǒng)戰(zhàn)術導彈結構設計流程及其存在問題
2.1 傳統(tǒng)戰(zhàn)術導彈結構設計流程

傳統(tǒng)結構設計中,包括航天器、飛機、導彈等結設計模型構設計,其結構設計技術的發(fā)展主要走以試驗驗證為分析人員FEM分析主的路徑。經典的結構設計方法將動態(tài)載荷化為靜載、以靜態(tài)設計為主,以試驗驗證為主要依據,通過設計、校核、再修改這樣一個不斷反復的設計過程(如圖 1)。很顯然這已經不能滿足現代技術發(fā)展的需要。為了不斷地滿足提高導彈性能的要求,在保證結構的試驗驗證可靠性前提下,必須盡可能地減少結構的無用呆重。采用數字化設計手段,把優(yōu)化設計理念納入設計流程中,在考慮產品結構性能和設計目標的情況下,設計圖 1 傳統(tǒng)導彈結構設計流程出滿足工程要求的最優(yōu)產品。

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圖 1 傳統(tǒng)導彈結構設計流程

2.2 傳統(tǒng)導彈結構設計流程存在的一些問題
1. CAD設計與

CAE分析之間隔離,脫節(jié)。設計人員對有限元分析知之甚少,分析人員對結構設計及制造工藝了解不多,設計人員根據經驗、設計標準以及類似的產品進行設計,而其強度、剛度、模態(tài)及穩(wěn)定性等分析則需要轉送分析人員進行分析計算,很多情況下,分析人員只起校核作用,如果不滿足要求,則需要重新進行新一輪設計。
2.優(yōu)化設計主要是在設計完成后,如果方案不能滿足性能要求才進行,在其設計結果基礎上進行優(yōu)化,雖然可以在一定程度上滿足性能要求,但很難達到最優(yōu)方案。主要是設計人員根據經驗或分析人員反饋的一些信息進行改進。
3.傳統(tǒng)設計方法設計效率低、周期長,很難達到一次設計成功和設計最優(yōu)。

3 導彈結構集成數字化設計優(yōu)化平臺及其優(yōu)化設計流程
3.1 導彈結構集成數字化設計優(yōu)化平臺
為了提高設計效率和設計質量,縮短設計周期,降低研制成本,需要對導彈結構設計流程進行優(yōu)化、再造,即采用基于網絡和 PDM系統(tǒng)的集成設計、分析、優(yōu)化平臺,應用數字化設計手段,優(yōu)化結構設計流程,把優(yōu)化設計理念納入到整個結構設計流程中。該平臺采用現代數字化集成技術,集成了數字化設計、數字化分析、數字化仿真、一體化優(yōu)化設計以及產品數據管理等技術,可以在集成環(huán)境下,高效率的進行導彈結構設計。集成設計平臺結構如圖 2所示。
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3.2導彈結構集成優(yōu)化設計流程
由于導彈性能要求越來越高,導彈結構設計也不僅要滿足強度、剛度、穩(wěn)定性等因素,而且作為一類飛行器,結構重量也是關注的關鍵因素之一,結構設計優(yōu)化也越來越顯得日益重要。因此,需要在設計流程上來保證設計結果最優(yōu)化。在概念設計階段,就考慮結構的載荷狀況、約束情況以及空間位置狀況,設計最佳的傳力路線和材料分布,得到最佳的拓撲結構和最小的重量。優(yōu)化技術及其設計工具在結構設計方面非常有用。結構優(yōu)化可以集成在整個導彈結構設計流程中,設計流程示意圖如圖 3所示。從圖中可以看出,整個設計流程利用了 CAD工具 UG NX2、CAE分析工具和優(yōu)化設計工具,從概念設計開始到初步設計到詳細設計結束,優(yōu)化理念貫穿在整個設計流程中。

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4 案例研究
圖示的是某型導彈控制艙的 CAD模型和有限元分析模型。該控制艙是導彈的非常重要的組成部件,控制艙內安裝有控制舵機和發(fā)射發(fā)動機,發(fā)射發(fā)動機安裝在控制艙中心軸線上的安裝座上,它要承受并傳遞所有的發(fā)射沖擊載荷到外圍艙壁上。因此,控制艙結構設計在彈體結構設計中占據重要地位?？刂婆摰慕Y構示意圖及其拓撲優(yōu)化設計域的定義如圖 3和圖 4所示。我們用 UG NX2 進行幾何建模,用 HyperMesh 進行網格生成和建立載荷和約束,利用 Altair HyperWorks OptiStruct 7.0 為優(yōu)化設計平臺進行優(yōu)化設計。

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圖 4 控制艙 CAD模型及其設計域定義

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圖 5 優(yōu)化結果示意圖

困擾該導彈研制的主要問題是超重,該艙體原設計采用鋁合金,結構設計主要基于經驗設計,重量 1150克。在保證結構強度的前提下,采用優(yōu)化設計和鎂合金材料,重量為 740克,減重 410克,達到了設計目的。強度實驗和飛行試驗表明,該結構能夠有效承擔發(fā)射過載、飛行過載要求。
5 結論

根據導彈結構設計要求,利用數字化設計手段,集成了三維設計、拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化等工具,設計了導彈結構集成數字化設計、優(yōu)化流程。案例研究證明,該設計
平臺可以有效實現彈體結構的優(yōu)化設計,即對其進行拓撲優(yōu)化設計,得到一種最佳的傳力途徑和減重方案,而后對得到的結果進行形狀優(yōu)化設計,得到比較詳細的結構狀態(tài)。

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