大口径火炮发射载荷传递规律及结构优化研究
发布时间：2022-12-11 13:48
大威力、高机动性和高精度是火炮武器的重要发展方向,从而对火炮的刚度、强度、速度和精度提出了更高的要求,亟需掌握发射载荷沿火炮关键部件传递的力学特征,通过结构优化的方法实现发射载荷传递规律的有效控制。传统的火炮设计理论难以满足这种发展需求,因此开展大口径火炮发射载荷传递规律及结构优化技术研究具有重要的意义。本文以此为研究背景,应用非线性有限元、数值计算、现代优化设计等理论与方法对火炮结构刚强度优化设计、发射过程非线性有限元建模、发射载荷传递规律以及发射动力学优化设计等问题进行研究。采用有限元法对不同射击工况下炮架关键部件的刚强度进行了分析,找出了结构中的薄弱环节。对摇架进行了改进设计,有效提高了摇架的刚强度。针对上架刚度较差的问题,提出了一种变后坐长火炮上架结构拓扑优化方法,以此对上架结构进行了多射角工况条件下的优化设计,找出了上架结构的最佳外形轮廓和加强筋的最佳布局,在此基础上采用尺寸优化设计对上架结构进行详细设计,获得了上架结构的优化方案,显著提高了上架结构的刚强度。建立了火炮发射过程的非线性有限元动力学模型,研究了火炮结构非线性连接关系的有限元建模方法,重点考虑了身管与衬瓦、高低机...
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 选题背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 火炮发射动力学
1.2.2 结构优化设计及其在火炮中的应用
1.2.3 近似模型方法在结构优化设计中的应用
1.3 火炮发射载荷传递规律及结构优化研究面临的技术挑战
1.4 本文研究内容
2 火炮关键部件刚强度分析及结构优化设计
2.1 火炮结构组成及工作原理
2.2 火炮结构有限元网格划分原则
2.3 摇架结构刚强度分析及改进设计
2.3.1 摇架刚强度分析有限元模型
2.3.2 摇架结构刚强度结果分析
2.3.3 摇架改进设计
2.4 上架结构刚强度分析
2.4.1 上架刚强度分析有限元模型
2.4.2 上架结构刚强度结果分析
2.5 大架和下架结构刚强度分析
2.5.1 大架和下架刚强度分析有限元模型
2.5.2 大架和下架结构刚强度结果分析
2.6 计及多射角工况的上架结构优化设计
2.6.1 结构优化设计数学模型和优化算法
2.6.2 上架箱形结构外轮廓改进设计
2.6.3 基于拓扑优化的上架加强筋布置设计
2.6.4 上架结构尺寸优化设计
2.6.5 优化结果分析
2.7 本章小结
3 火炮发射过程的非线性有限元动力学建模及模型验证
3.1 火炮发射过程的非线性特性
3.2 火炮发射过程的非线性有限元动力学分析方法
3.2.1 非线性有限元动力学方程
3.2.2 非线性有限元动力学方程解法
3.2.3 火炮接触碰撞有限元分析方法
3.3 火炮发射过程的非线性有限元建模
3.3.1 火炮三维建模与网格划分
3.3.2 关键部件接触碰撞有限元建模
3.3.3 反后坐装置建模
3.3.4 其它连接关系建模
3.3.5 边界条件和发射载荷建模
3.4 火炮有限元模态分析及试验验证
3.4.1 火炮有限元模态分析方法
3.4.2 火炮模态试验测试
3.4.3 火炮模态有限元结果与试验结果对比分析
3.5 火炮非线性有限元动力学数值计算及试验验证
3.5.1 火炮非线性有限元动力学数值计算
3.5.2 火炮发射动力学试验测试
3.5.3 数值计算结果与试验结果对比分析
3.6 本章小结
4 火炮发射载荷传递规律及动态刚强度分析
4.1 摇架发射载荷传递规律分析
4.1.1 摇架受力分析传统方法
4.1.2 衬瓦接触力计算结果对比分析
4.1.3 齿弧接触力计算结果对比分析
4.1.4 耳轴作用力计算结果对比分析
4.2 关键部件的动态刚强度分析
4.2.1 摇架动态应力
4.2.2 上架动态应力
4.2.3 下架动态应力
4.2.4 大架动态应力
4.2.5 部件应力计算结果对比
4.3 火炮大型重载滚子座圈动态响应分析
4.3.1 座圈受力分析
4.3.2 滚子座圈大规模接触碰撞有限元模型
4.3.3 材料模型对座圈动态响应计算结果的影响
4.3.4 滚子载荷分布及变化规律
4.4 本章小结
5 结构布置及结构参数对炮口振动的影响分析
5.1 反后坐装置结构布置对炮口振动的影响
5.1.1 复进机和制退机的固定方式对炮口振动的影响
5.1.2 复进机和制退机的布置位置对炮口振动的影响
5.2 火炮总体结构参数灵敏度分析
5.2.1 火炮总体结构参数的选取及灵敏度分析方法
5.2.2 后坐部分偏心距的影响
5.2.3 炮口制退器质量的影响
5.2.4 前衬瓦轴向偏移量的影响
5.2.5 长圆筒本体壁厚的影响
5.2.6 衬瓦与身管配合间隙的影响
5.2.7 高低机齿轮齿弧啮合间隙的影响
5.2.8 摇架耳轴中心位置的影响
5.2.9 结果分析
5.3 本章小结
6 火炮发射动力学近似建模及炮口振动优化研究
6.1 结构近似建模方法
6.1.1 多项式响应面模型
6.1.2 Kriging模型
6.1.3 神经网络模型
6.1.4 近似模型质量检验
6.2 试验设计方法
6.3 火炮发射动力学近似建模
6.3.1 设计变量选择及试验设计
6.3.2 火炮结构多项式响应面模型
6.3.3 火炮结构Kriging模型
6.3.4 火炮结构BP神经网络模型
6.3.5 火炮结构RBF神经网络模型
6.3.6 近似模型适应性对比分析
6.4 基于近似模型的炮口振动优化
6.4.1 炮口振动优化数学模型
6.4.2 炮口振动优化方法
6.4.3 优化结果分析
6.5 本章小结
7 结束语
7.1 工作总结
7.2 本文创新点
7.3 研究工作展望
致谢
参考文献
附录
A. 攻读博士学位期间发表论文情况
B. 攻读博士学位期间参加科研项目情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于对数型Heaviside近似函数作为过滤函数的动力响应结构拓扑优化ICM方法[J]. 叶红玲,李耀明,张颜明,隋允康. 工程力学. 2014(06)
[2]基于接触动力学的座圈动态响应仿真分析[J]. 刘春光,苏铁明,华顺刚. 光电技术应用. 2014(03)
[3]计及多射角工况的火炮上架结构优化设计[J]. 梁传建,杨国来,王晓锋. 火炮发射与控制学报. 2014(02)
[4]典型火炮结构振动分析与前支架设计改进[J]. 张永存,吴雪云,刘书田. 工程力学. 2013(06)
[5]新型步战车炮塔座圈发射过程动态响应分析[J]. 苏忠亭,徐达,韩振飞,熊成文. 火力与指挥控制. 2013(02)
[6]火炮身管-反后坐装置集成优化设计方法研究[J]. 洪亚军,曹岩枫,尹强,徐诚. 中国机械工程. 2013(01)
[7]滚动轴承动态接触特性数值模拟中若干问题[J]. 童宝宏,刘颖,苏荭. 机械工程学报. 2012(21)
[8]大口径火炮座圈整体结构动态响应研究[J]. 刘朋科,史婉荣,郭新喜,高小科. 火炮发射与控制学报. 2012(03)
[9]基于BP神经网络的侧碰多目标优化设计[J]. 周利辉,成艾国,陈涛,赵敏,周泽. 中国机械工程. 2012(17)
[10]基于神经网络与遗传算法的移动硬盘耐撞性能多目标优化设计[J]. 杨书仪,刘德顺,赵继云. 机械科学与技术. 2012(08)
博士论文
[1]冲击载荷作用下移动梁沿支撑结构大位移运动的时变力学研究[D]. 陈强.南京理工大学 2014
[2]自行火炮弹炮多体发射系统动力学仿真研究[D]. 陈世业.南京理工大学 2013
[3]车载炮动态非线性有限元仿真研究[D]. 葛建立.南京理工大学 2007
硕士论文
[1]基于刚柔耦合模型的某车载迫击炮关键结构分析[D]. 陶齐冈.南京理工大学 2014
[2]某火炮结构参数灵敏度分析与优化研究[D]. 张俊飞.南京理工大学 2014
[3]超轻型火炮摇架结构优化[D]. 钱辉仲.南京理工大学 2012
[4]超轻型火炮结构动力学有限元分析与总体优化匹配技术研究[D]. 彭迪.南京理工大学 2012
[5]典型火炮结构静动力分析与轻量化设计[D]. 吴雪云.大连理工大学 2011
[6]轻量化牵引火炮动力学分析与优化研究[D]. 周成.南京理工大学 2011
[7]船用齿轮箱的灵敏度研究及结构优化[D]. 张雷.哈尔滨工程大学 2010
[8]某火炮架体动态特性的研究[D]. 刘刚.南京理工大学 2008
[9]自行火炮炮塔结构动态设计研究[D]. 高俣.南京理工大学 2007
[10]牵引火炮总体结构多目标优化研究[D]. 龚海岳.南京理工大学 2006
本文编号：3718890
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 选题背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 火炮发射动力学
1.2.2 结构优化设计及其在火炮中的应用
1.2.3 近似模型方法在结构优化设计中的应用
1.3 火炮发射载荷传递规律及结构优化研究面临的技术挑战
1.4 本文研究内容
2 火炮关键部件刚强度分析及结构优化设计
2.1 火炮结构组成及工作原理
2.2 火炮结构有限元网格划分原则
2.3 摇架结构刚强度分析及改进设计
2.3.1 摇架刚强度分析有限元模型
2.3.2 摇架结构刚强度结果分析
2.3.3 摇架改进设计
2.4 上架结构刚强度分析
2.4.1 上架刚强度分析有限元模型
2.4.2 上架结构刚强度结果分析
2.5 大架和下架结构刚强度分析
2.5.1 大架和下架刚强度分析有限元模型
2.5.2 大架和下架结构刚强度结果分析
2.6 计及多射角工况的上架结构优化设计
2.6.1 结构优化设计数学模型和优化算法
2.6.2 上架箱形结构外轮廓改进设计
2.6.3 基于拓扑优化的上架加强筋布置设计
2.6.4 上架结构尺寸优化设计
2.6.5 优化结果分析
2.7 本章小结
3 火炮发射过程的非线性有限元动力学建模及模型验证
3.1 火炮发射过程的非线性特性
3.2 火炮发射过程的非线性有限元动力学分析方法
3.2.1 非线性有限元动力学方程
3.2.2 非线性有限元动力学方程解法
3.2.3 火炮接触碰撞有限元分析方法
3.3 火炮发射过程的非线性有限元建模
3.3.1 火炮三维建模与网格划分
3.3.2 关键部件接触碰撞有限元建模
3.3.3 反后坐装置建模
3.3.4 其它连接关系建模
3.3.5 边界条件和发射载荷建模
3.4 火炮有限元模态分析及试验验证
3.4.1 火炮有限元模态分析方法
3.4.2 火炮模态试验测试
3.4.3 火炮模态有限元结果与试验结果对比分析
3.5 火炮非线性有限元动力学数值计算及试验验证
3.5.1 火炮非线性有限元动力学数值计算
3.5.2 火炮发射动力学试验测试
3.5.3 数值计算结果与试验结果对比分析
3.6 本章小结
4 火炮发射载荷传递规律及动态刚强度分析
4.1 摇架发射载荷传递规律分析
4.1.1 摇架受力分析传统方法
4.1.2 衬瓦接触力计算结果对比分析
4.1.3 齿弧接触力计算结果对比分析
4.1.4 耳轴作用力计算结果对比分析
4.2 关键部件的动态刚强度分析
4.2.1 摇架动态应力
4.2.2 上架动态应力
4.2.3 下架动态应力
4.2.4 大架动态应力
4.2.5 部件应力计算结果对比
4.3 火炮大型重载滚子座圈动态响应分析
4.3.1 座圈受力分析
4.3.2 滚子座圈大规模接触碰撞有限元模型
4.3.3 材料模型对座圈动态响应计算结果的影响
4.3.4 滚子载荷分布及变化规律
4.4 本章小结
5 结构布置及结构参数对炮口振动的影响分析
5.1 反后坐装置结构布置对炮口振动的影响
5.1.1 复进机和制退机的固定方式对炮口振动的影响
5.1.2 复进机和制退机的布置位置对炮口振动的影响
5.2 火炮总体结构参数灵敏度分析
5.2.1 火炮总体结构参数的选取及灵敏度分析方法
5.2.2 后坐部分偏心距的影响
5.2.3 炮口制退器质量的影响
5.2.4 前衬瓦轴向偏移量的影响
5.2.5 长圆筒本体壁厚的影响
5.2.6 衬瓦与身管配合间隙的影响
5.2.7 高低机齿轮齿弧啮合间隙的影响
5.2.8 摇架耳轴中心位置的影响
5.2.9 结果分析
5.3 本章小结
6 火炮发射动力学近似建模及炮口振动优化研究
6.1 结构近似建模方法
6.1.1 多项式响应面模型
6.1.2 Kriging模型
6.1.3 神经网络模型
6.1.4 近似模型质量检验
6.2 试验设计方法
6.3 火炮发射动力学近似建模
6.3.1 设计变量选择及试验设计
6.3.2 火炮结构多项式响应面模型
6.3.3 火炮结构Kriging模型
6.3.4 火炮结构BP神经网络模型
6.3.5 火炮结构RBF神经网络模型
6.3.6 近似模型适应性对比分析
6.4 基于近似模型的炮口振动优化
6.4.1 炮口振动优化数学模型
6.4.2 炮口振动优化方法
6.4.3 优化结果分析
6.5 本章小结
7 结束语
7.1 工作总结
7.2 本文创新点
7.3 研究工作展望
致谢
参考文献
附录
A. 攻读博士学位期间发表论文情况
B. 攻读博士学位期间参加科研项目情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于对数型Heaviside近似函数作为过滤函数的动力响应结构拓扑优化ICM方法[J]. 叶红玲,李耀明,张颜明,隋允康. 工程力学. 2014(06)
[2]基于接触动力学的座圈动态响应仿真分析[J]. 刘春光,苏铁明,华顺刚. 光电技术应用. 2014(03)
[3]计及多射角工况的火炮上架结构优化设计[J]. 梁传建,杨国来,王晓锋. 火炮发射与控制学报. 2014(02)
[4]典型火炮结构振动分析与前支架设计改进[J]. 张永存,吴雪云,刘书田. 工程力学. 2013(06)
[5]新型步战车炮塔座圈发射过程动态响应分析[J]. 苏忠亭,徐达,韩振飞,熊成文. 火力与指挥控制. 2013(02)
[6]火炮身管-反后坐装置集成优化设计方法研究[J]. 洪亚军,曹岩枫,尹强,徐诚. 中国机械工程. 2013(01)
[7]滚动轴承动态接触特性数值模拟中若干问题[J]. 童宝宏,刘颖,苏荭. 机械工程学报. 2012(21)
[8]大口径火炮座圈整体结构动态响应研究[J]. 刘朋科,史婉荣,郭新喜,高小科. 火炮发射与控制学报. 2012(03)
[9]基于BP神经网络的侧碰多目标优化设计[J]. 周利辉,成艾国,陈涛,赵敏,周泽. 中国机械工程. 2012(17)
[10]基于神经网络与遗传算法的移动硬盘耐撞性能多目标优化设计[J]. 杨书仪,刘德顺,赵继云. 机械科学与技术. 2012(08)
博士论文
[1]冲击载荷作用下移动梁沿支撑结构大位移运动的时变力学研究[D]. 陈强.南京理工大学 2014
[2]自行火炮弹炮多体发射系统动力学仿真研究[D]. 陈世业.南京理工大学 2013
[3]车载炮动态非线性有限元仿真研究[D]. 葛建立.南京理工大学 2007
硕士论文
[1]基于刚柔耦合模型的某车载迫击炮关键结构分析[D]. 陶齐冈.南京理工大学 2014
[2]某火炮结构参数灵敏度分析与优化研究[D]. 张俊飞.南京理工大学 2014
[3]超轻型火炮摇架结构优化[D]. 钱辉仲.南京理工大学 2012
[4]超轻型火炮结构动力学有限元分析与总体优化匹配技术研究[D]. 彭迪.南京理工大学 2012
[5]典型火炮结构静动力分析与轻量化设计[D]. 吴雪云.大连理工大学 2011
[6]轻量化牵引火炮动力学分析与优化研究[D]. 周成.南京理工大学 2011
[7]船用齿轮箱的灵敏度研究及结构优化[D]. 张雷.哈尔滨工程大学 2010
[8]某火炮架体动态特性的研究[D]. 刘刚.南京理工大学 2008
[9]自行火炮炮塔结构动态设计研究[D]. 高俣.南京理工大学 2007
[10]牵引火炮总体结构多目标优化研究[D]. 龚海岳.南京理工大学 2006
本文编号：3718890
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