某型突击炮托架中支架左支板结构拓扑优化设计

张小石，王宪升，喻 翔

(重庆建设工业(集团)有限责任公司，重庆 400054)

0 引言

经过近百年的发展，国外轮式炮的研发与装备已具备相当规模，其中以美国的M109A6式155 mm榴弹炮、英国的AS-90式155 mm自行榴弹炮、法国“凯撒”155 mm自行榴弹炮、意大利“帕尔玛瑞”155 mm自行榴弹炮、瑞典“塔那”152 mm榴弹炮和南非G6155 mm榴弹炮最为典型。其特点是都采用了专门为自行火炮设计的底盘，具有较好的加速性、越野性和空运性等。国内现有的1970式122 mm自行榴弹炮、PLZ83式152 mm自行加榴炮、PLZ85式122自行榴弹炮和W90式203 mm自行榴弹炮已在相当程度上提高了战斗力，缩小了与外国先进水平的差距[1]。

突击炮托架中的支架在托架中起支撑摇架和承受突击炮射击后坐冲量的作用，为实现武器的轻量化和提高武器机动性，本文对某突击炮托架中支架左支板结构进行拓扑优化[2]。

1 拓扑前支架左支板结构及仿真分析

拓扑前支架左支板结构如图1所示。支架左支板材料为40Cr，其性能参数如表1所示。

图1 拓扑前支架左支板结构

表1 40Cr材料参数

将拓扑前支架左支板三维模型导入ANSYS中，经赋予40Cr材料参数、生成网格、施加约束、求解计算、后处理得到突击炮18°射角下拓扑前支架左支板应力云图和位移云图，如图2、图3所示。不同射角下拓扑前支架左支板最大应力和位移如表2所示。

图2 突击炮18°射角下拓扑前支架左支板应力云图

图3 突击炮18°射角下拓扑前支架左支板位移云图

表2 不同射角下拓扑前支架左支板最大应力和位移

2 支架左支板结构拓扑优化及仿真分析

拓扑优化是指形状优化，有时也称为外形优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷物体的最佳材料分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计[3，4]。与传统优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。

拓扑优化目标-目标函数是在满足结构的约束情况下减少结构的变形能。减少结构的变形能相当于提高结构的刚度，这个技术通过使用设计变量给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。将拓扑优化方法应用到托架体结构设计中，则可以在满足结构刚度和性能要求的前提下，通过优化确定最初阶段结构的最佳拓扑形式，设计出刚度高、重量轻的产品，从而达到减重的目的，提高突击炮整体的机动性。

取安全系数n=1.2,拓扑前支架左支板材料许用应力[σ]=σs/[n]=800/1.2=667 MPa。从表2可知，σmax=93.4 MPa<[σ]，满足强度要求；最大位移为0.576 mm，为微小变形，满足结构刚度要求。拓扑前支架左支板体积为8 245 067.17 mm3、重量为64.312 kg。

定义拓扑优化问题，选择单元类型、指定要优化和不优化的区域、定义和控制载荷、定义和控制优化过程得到拓扑后计算结果。优化过程只需要给出结构的参数和要省去的材料百分比进行计算迭代。具体定义优化迭代程序如下[5-7]：

Type,1

Vsel,all！选择需要拓扑优化的单元

Vmesh,all

……！加载3个载荷工况

Tocomp,mcomp,multiple,3 ！执行3次

Tovar,mcomp,obj

Tovar,volume,con,,30 ！定义体积减少30%

Totype,oc

Todef,0.0005！公差为0.0005

/dscale,,off

/contour,,2

Toloop,30,1！最大30次迭代

以密度云图形式绘制的拓扑结果如图4所示。其中，浅色部分是可以优化的，黑色部分是不可优化的。

图4 以密度云图形式绘制的左支板拓扑结果

对图4中浅色部分进行减重，拓扑后左支板结构如图5所示。重新生成网格、施加约束、求解计算、后处理得到突击炮18°射角下拓扑后支架左支板应力云图和位移云图，如图6、图7所示。 不同射角下拓扑后支架左支板最大应力和位移如表3所示。

表3 不同射角下拓扑后支架左支板最大应力和位移

从表3可知，拓扑后支架左支板最大应力σmax=93.8 MPa<[σ]，满足强度要求；最大位移为0.580 mm，均为微小变形，满足结构刚度要求。拓扑后支架左支板体积为7 725 788.09 mm3、重量为60.260 kg。通过拓扑优化左支板体积减少12.5%、重量减少6.4%。

3 结论

对某突击炮托架中支架左支板结构进行扑优化设计，定义拓扑优化程序，经过迭代得到了基于密度云图的拓扑优化结果。拓扑优化后，支架左支板体积减少12.5%、重量减少6.4%仍能满足强度刚度要求。该方法可应用于类似结构的拓扑优化，对实现武器的轻量化和提高武器机动性有一定的参考价值。