優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、戰斗部、發動機、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。
結構優化設計包含拓撲優化、幾何優化 (形狀和位置)、尺寸優化等方面的內容。它既體現了該領域問題由淺入深的發展過程,同時,又反映出設計者對問題理解認識的不斷深入。結構優化經歷 40多年的研究與發展,目前,尺寸優化和幾何優化技術已經比較成熟,在航空、航天、汽車等一些工業領域取得了成功的應用。而拓撲優化仍然處在發展的初期,在應用方面相對來說還比較少,但已經成為結構優化領域近年來的研究熱點之一,最佳結構拓撲在結構優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、拓撲優化、形狀優化和尺寸優化技術,對導彈結構進行了一系列優化研究,并建立了彈體結構的數字化設計、優化流程。實踐研究表明,該設計平臺方法和優化流程可以有效保證導彈結構優化設計的效率和質量。
2 傳統戰術導彈結構設計流程及其存在問題
2.1 傳統戰術導彈結構設計流程

傳統結構設計中,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載荷化為靜載、以靜態設計為主,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 傳統導彈結構設計流程出滿足工程要求的最優產品。

                            圖 1 傳統導彈結構設計流程
   
2.2 傳統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。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、模態及穩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化,雖然可以在一定程度上滿足性能要求,但很難達到最優方案。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。

3 導彈結構集成數字化設計優化平臺及其優化設計流程
3.1 導彈結構集成數字化設計優化平臺
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化、再造,即采用基于網絡和 PDM系統的集成設計、分析、優化平臺,應用數字化設計手段,優化結構設計流程,把優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、一體化優化設計以及產品數據管理等技術,可以在集成環境下,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。

3.2導彈結構集成優化設計流程
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。優化技術及其設計工具在結構設計方面非常有用。結構優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,優化理念貫穿在整個設計流程中。

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射發動機,發射發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。控制艙的結構示意圖及其拓撲優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 為優化設計平臺進行優化設計。

                      圖 4 控制艙 CAD模型及其設計域定義

                            圖 5 優化結果示意圖

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、拓撲優化、形狀優化以及尺寸優化等工具,設計了導彈結構集成數字化設計、優化流程。案例研究證明,該設計
平臺可以有效實現彈體結構的優化設計,即對其進行拓撲優化設計,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化設計,得到比較詳細的結構狀態。

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