直升机武器挂架优化设计

郑鸣辉 赵国文

摘 要：为提高直升机的对敌作战能力，机载悬挂发射装置作为武装直升机携带机载武器的装置在设计时需要考虑诸多因素，如空间限制、重量限制、强度需求等。考虑到机载悬挂发射装置的重要部件武器挂架受载通常较为简单且在设计重量和空间上有较为明确的限制，先以拓扑优化的方法对直升机武器挂架进行初始设计能更为有效的利用材料，得到传载效率较高的设计方案。考虑到挂架制造的工艺性，在拓扑优化结构的基础上对武器挂架重新建模并通过数值分析方法进一步调整材料分布，优化结构尺寸即可得到符合满应力设计和轻量化要求的挂架结构。

关键词：武器挂架；拓扑优化；轻量化设计

中图分类号：TB 文献标识码：A  doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.15.089

0 引言

机载悬挂发射装置主要用于携带和投放各种航空武器，传统的机载悬挂发射装置大体为扁矩形，有复杂的加强筋分布和机械传动结构，起到连接武器和机体，控制武器随机运动，投放或发射的作用。挂架是机载悬挂发射装置中的重要部件，主要用于承担吊挂武器的各种载荷，挂架设计合理与否，刚度、强度是否满足要求将直接影响机载悬挂发射装置的使用性能甚至是载机的飞行安全。

挂架设计的传统方法一般为参照现有结构，依据已知载荷和设计经验确定出大致的初始结构，再通过数值模拟方法调整结构的尺寸，重复迭代上述过程最终可得到符合重量和强度、刚度要求的挂架结构。传统方法的局限性在于在已有方案的基础上改进，难以设计出一个传载效率更高的构型。在受力明确的状态下，采用拓撲优化的方法获取初始结构能很好地弥补传统设计方法的这一缺点。本文在空间、质量限制下，采用拓扑优化、尺寸优化的结构优化设计方法，完成武器挂架结构优化设计，为后续类似结构设计提供一种设计思路。

1 挂架模型简介

考虑直升机的机载悬挂发射装置安装在机身两侧的短翼上，短翼由两个梁、两个肋和蒙皮组成，如图1所示，武器挂架上的四个接头受到的载荷见表1，需要在设计域内设计合适的挂架结构在满足强度要求下用于承载，挂架材料为高强度铝合金，弹性模量为72GPa，泊松比为0.33，强度极限σb为460MPa，屈服极限σ0.2为392MPa，挂架的安全系数取1.5。

2 挂架结构的设计

2.1 挂架设计流程

根据设计要求及挂架受载的分析，考虑到前后接头之间的跨距较大，将挂架拆分为由接头1和接头2组成的前挂架区域，接头3和接头4组成的后挂架区域。适当去除中间区域材料，合理的选取设计域更有利于计算结果的收敛。初步确定挂架与支撑结构之间采用螺栓连接，挂架的整体设计流程见图2。

2.2 基于密度法的拓扑优化

对于连续结构的静力学问题，拓扑优化常求解的问题有约束结构刚度的情况下求最小体积和约束体积的情况下求最大刚度。本文主要讨论在约束体积的情况下求解最大刚度的问题。在基于密度法（SIMP）的拓扑优化中，有限元模型的刚度矩阵可以表示为和密度相关的函数。即

Kρ=∑ni=1ρpiKi  i=1，2，…，n ，p＞1（1）

其中，ρi为第i个单元的相对密度，p为惩罚因子。约束优化后的体积小于初始体积的10%，以最小应变能为目标函数，优化问题可以表述为：

Findρi，  i=1，2，…n

Min c=UTKU

s.t.K（ρi）U=F（2）

∑ni=1ρiνi-V≤0

0<ρmin≤ρi≤1，  i=1，2，…n

其中，V-是材料体积的上限约束，即为初始优化区域体积的10%。为了避免刚度矩阵奇异，ρmin一般取0.001。

2.3 挂架优化设计

接头1、2组成的前挂架区域和接头3、4组成的后挂架区域均采用上述设计流程，以前挂架区域为例，确定设计域并施约束和载荷，对结构划分六面体网格，优化后得到的结构见图3a。

重建模型 （图3b）并对其进行有限元分析后得到（如图3c）所示的结果。分析结果可以发现，除部分区域外基本满足强度要，可以在此结构的基础上对前挂架进行尺寸优化。对于应力较大的杆件区域需要适当加强，板面区域的应力较小，可以适当减少材料的使用。

由于在比照拓扑优化模型对结构进行重新建模的过程中考虑到工艺性等因素对结构做出了适当的变形，在重新进行有限元分析后需要根据结果再进行尺寸优化使得设计的结构更为合理。迭代调整局部区域的材料尺寸，在结构已经满足强度要求的基础上加入了螺栓连接区域并进行了校核，后挂架采用相同的方法进行优化，最终得到符合强度要求的前后挂架设计，结果见图4。

此时初始设计空间中的挂架结构如图5所示。

3 总结

本文针对直升机武器挂架的受载情况对其进行了优化设计，考虑到武器挂架前后接头间的跨距较大，将设计空间拆分为两个部分，以拓扑优化的方法确定合适的结构传力形式，在控制重量的前提下得到更有承力针对性的构型。以尺寸优化的方法调整挂架中杆件和薄板的尺寸，最终得到了更为满足强度要求和符合轻量化设计要求的结构。

参考文献

［1］吕开妮.机载武器挂架结构分析[J].中国新技术新产品，2019，（10）：6869.

[2]王平，张国玉，刘家燕，等.机载光电平台内框架拓扑优化设计[J].机械工程学报，2014，（13）：135141.

[3]吕开妮.机载武器挂架结构分析[J].中国新技术新产品，2019，（10）：6768.