鄭鳴輝 趙國文

摘?要：為提高直升機的對敵作戰(zhàn)能力，機載懸掛發(fā)射裝置作為武裝直升機攜帶機載武器的裝置在設計時需要考慮諸多因素，如空間限制、重量限制、強度需求等?？紤]到機載懸掛發(fā)射裝置的重要部件武器掛架受載通常較為簡單且在設計重量和空間上有較為明確的限制，先以拓撲優(yōu)化的方法對直升機武器掛架進行初始設計能更為有效的利用材料，得到傳載效率較高的設計方案。考慮到掛架制造的工藝性，在拓撲優(yōu)化結構的基礎上對武器掛架重新建模并通過數(shù)值分析方法進一步調整材料分布，優(yōu)化結構尺寸即可得到符合滿應力設計和輕量化要求的掛架結構。

關鍵詞：武器掛架；拓撲優(yōu)化；輕量化設計

中圖分類號：TB?文獻標識碼：A??doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.15.089

0?引言

機載懸掛發(fā)射裝置主要用于攜帶和投放各種航空武器，傳統(tǒng)的機載懸掛發(fā)射裝置大體為扁矩形，有復雜的加強筋分布和機械傳動結構，起到連接武器和機體，控制武器隨機運動，投放或發(fā)射的作用。掛架是機載懸掛發(fā)射裝置中的重要部件，主要用于承擔吊掛武器的各種載荷，掛架設計合理與否，剛度、強度是否滿足要求將直接影響機載懸掛發(fā)射裝置的使用性能甚至是載機的飛行安全。

掛架設計的傳統(tǒng)方法一般為參照現(xiàn)有結構，依據(jù)已知載荷和設計經驗確定出大致的初始結構，再通過數(shù)值模擬方法調整結構的尺寸，重復迭代上述過程最終可得到符合重量和強度、剛度要求的掛架結構。傳統(tǒng)方法的局限性在于在已有方案的基礎上改進，難以設計出一個傳載效率更高的構型。在受力明確的狀態(tài)下，采用拓撲優(yōu)化的方法獲取初始結構能很好地彌補傳統(tǒng)設計方法的這一缺點。本文在空間、質量限制下，采用拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化的結構優(yōu)化設計方法，完成武器掛架結構優(yōu)化設計，為后續(xù)類似結構設計提供一種設計思路。

1?掛架模型簡介

考慮直升機的機載懸掛發(fā)射裝置安裝在機身兩側的短翼上，短翼由兩個梁、兩個肋和蒙皮組成，如圖1所示，武器掛架上的四個接頭受到的載荷見表1，需要在設計域內設計合適的掛架結構在滿足強度要求下用于承載，掛架材料為高強度鋁合金，彈性模量為72GPa，泊松比為0.33，強度極限σb為460MPa，屈服極限σ0.2為392MPa，掛架的安全系數(shù)取1.5。

2?掛架結構的設計

2.1?掛架設計流程

根據(jù)設計要求及掛架受載的分析，考慮到前后接頭之間的跨距較大，將掛架拆分為由接頭1和接頭2組成的前掛架區(qū)域，接頭3和接頭4組成的后掛架區(qū)域。適當去除中間區(qū)域材料，合理的選取設計域更有利于計算結果的收斂。初步確定掛架與支撐結構之間采用螺栓連接，掛架的整體設計流程見圖2。

2.2?基于密度法的拓撲優(yōu)化

對于連續(xù)結構的靜力學問題，拓撲優(yōu)化常求解的問題有約束結構剛度的情況下求最小體積和約束體積的情況下求最大剛度。本文主要討論在約束體積的情況下求解最大剛度的問題。在基于密度法（SIMP）的拓撲優(yōu)化中，有限元模型的剛度矩陣可以表示為和密度相關的函數(shù)。即

Kρ=∑ni=1ρpiKi??i=1，2，…，n?，p＞1（1）

其中，ρi為第i個單元的相對密度，p為懲罰因子。約束優(yōu)化后的體積小于初始體積的10%，以最小應變能為目標函數(shù)，優(yōu)化問題可以表述為：

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-是材料體積的上限約束，即為初始優(yōu)化區(qū)域體積的10%。為了避免剛度矩陣奇異，ρmin一般取0.001。

2.3?掛架優(yōu)化設計

接頭1、2組成的前掛架區(qū)域和接頭3、4組成的后掛架區(qū)域均采用上述設計流程，以前掛架區(qū)域為例，確定設計域并施約束和載荷，對結構劃分六面體網(wǎng)格，優(yōu)化后得到的結構見圖3a。

重建模型?（圖3b）并對其進行有限元分析后得到（如圖3c）所示的結果。分析結果可以發(fā)現(xiàn)，除部分區(qū)域外基本滿足強度要，可以在此結構的基礎上對前掛架進行尺寸優(yōu)化。對于應力較大的桿件區(qū)域需要適當加強，板面區(qū)域的應力較小，可以適當減少材料的使用。

由于在比照拓撲優(yōu)化模型對結構進行重新建模的過程中考慮到工藝性等因素對結構做出了適當?shù)淖冃?，在重新進行有限元分析后需要根據(jù)結果再進行尺寸優(yōu)化使得設計的結構更為合理。迭代調整局部區(qū)域的材料尺寸，在結構已經滿足強度要求的基礎上加入了螺栓連接區(qū)域并進行了校核，后掛架采用相同的方法進行優(yōu)化，最終得到符合強度要求的前后掛架設計，結果見圖4。

此時初始設計空間中的掛架結構如圖5所示。

3?總結

本文針對直升機武器掛架的受載情況對其進行了優(yōu)化設計，考慮到武器掛架前后接頭間的跨距較大，將設計空間拆分為兩個部分，以拓撲優(yōu)化的方法確定合適的結構傳力形式，在控制重量的前提下得到更有承力針對性的構型。以尺寸優(yōu)化的方法調整掛架中桿件和薄板的尺寸，最終得到了更為滿足強度要求和符合輕量化設計要求的結構。

參考文獻

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