1、电气与自动化 张俊飞。等某牵引火炮后大架轻量化设计 某牵引火炮后大架轻量化设计 张俊飞，顾克秋，付帅 (南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094) 摘要：针对后大架的轻量化设计建立了一种基于全炮总体结构下的动力学参数化模型。采 用拉丁方实验设计方法。得到描述设计响应与设计变量之间关系的Kriging近似模型。在此基 础上，采用多岛遗传算法对后大架结构参数进行优化，获得了优化后的后大架质量最优解，该 建模策略及优化思路对火炮各部件结构设计及轻量化具有指导意义。 关键词：轻量化；试验设计：多岛遗传算法；参数化 中图分类号：TJ303 5；TP3919 文献标志码：B 文章编号：1671527
2、6(2014)05019204 Lightweight Design of One Towed HowitzerS Backtrail ZHANG JunfeiGU KeqiuFU Shuai (School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China) Abstract：According to the requirement of the lightweight design of backtrail，this paper builds its dyn
3、amic parametric model based on towed howitzer global structureA Kriging model used to describe the relationship between design responses and design variables is obtained by Latin-square experiment designOn this basis，the multiisland genetic algorithm is used to optimize the dimension pa rameter of t
4、he howitzers bacraiI。and the mass optimal solution of the towed howitzer is achievedThis kind of modeling strategy and optimization method is of guiding significance for the howitzers lightweight structure design of pads Keywords：lightweight；DOE；multi-island genetic algorithm；parameter 0 引言 牵引火炮的轻量化
5、概念早在2O世纪7O年代左右已 经产生，由于火炮质量直接影响其战略、战术机动性及安 全性，因此有必要通过轻量化设计来提高火炮战术机动 性，使其快速应对各种突发事件。针对火炮全部质量的轻 量化设计(图1)，由于多种因素导致无法实现，更多的文 献是采取对单独某个部件的轻量化设计则通过静力学优 化来实现。这无疑与部件在火炮发射过程中产生的动态应 力应变相不符。 图1轻型牵引火炮原理示意图 本文通过建立某牵引火炮刚柔混合动力学有限元参 数化模型来研究后大架的轻量化，其中后大架采用柔体建 模，其余部件均为刚体，在进行有限元分析的基础上，以后 大架的形状和板厚参数作为优化设计变量。约束后大架的 屈服极限，
6、优化后最终获得了一组保证刚强度同时质量最 轻的后大架参数，为各部件的轻量化设计提供参考。 1全炮有限元动力学分析及参数化 1-1 刚柔混合模型有限元分析 为准确分析后大架，同时保证计算效率，采用刚柔混 合建模摇架、身管、上架、前大架及下架等均采用刚体建 模。在其质心位置赋予质量及转动惯量，用Axial连接器模 拟高平机作用；后大架采用柔体建模，单元采用一阶完全 积分单元离散，与下架后支臂通过两个转动副连接，自身 可以分为架体和驻锄，在驻锄端面耦合参考点模拟驻锄的 转动中心，然后与地面建立弹簧连接器，模拟驻锄与土壤 的接触关系。 在炮尾端面施加膛底压力，模拟火药对后坐部分的载 荷：在身管轴线方向
7、建立参考点，并施加导转力矩模拟弹 丸对身管膛线的扭矩作用；制退机力与复进机力则通过函 数子程序二次开发编程来施加，实现数据传递。 考虑到火炮后坐阻力最大时刻全炮工况最为恶劣，因 此有限元模型重点考察在火炮后坐过程中的动态应力 应变 12计算结果分析 在输出的DAT文件中得到全炮优化前初始状态的 总质量为4 007248 kg，由于只对后大架进行参数化，故 可以通过全炮质量的变化值表征后大架总质量的变化 程度。 作者简介：张俊飞(1988-)，男，山西长治人，硕士，主要从事动力学非线性有限元仿真的应用及参数化研究。 192 http：ffZZHDchinajourna1netcn E-mail：
8、ZZHDchainajourna1netCrl机械制造与自动化 电气与自动化 张俊飞，等某牵引火炮后大架轻量化设计 后大架应力变形如图2所示，最大应力为4252 MPa， 出现在腹板圆弧处，除去应力集中区，其他大部分区域应 力均小于200 MPa。后处理中选择应力最大位置处单元 节点的Mises值输出，作为进一步优化时的约束条件。 图2后大架应力云图及Mises最大值区域 13参数化模型 用Python语言编写有限元前处理程序。实现全炮的 参数化建模，后大架参数主要分为板厚参数和形状参数两 大类，改变这些参数值即可获得不同的后大架模型，同时 也会生成相应的全炮模型。 后大架架体形状通过 1、
9、2、 3三个参数来控制， 4、 5两个参数可控制驻锄加强筋的布局，如图3，图4所示。 后大架参数化有限元模型各形状参数、设计上限、设计下 限及参数说明如表1所示。除了上述形状参数外组成后 大架的部分钛合金板的板厚也是优化参数对不同部位的 板厚度的合理匹配，可以在保证结构性能的前提下获得最 优的结构。后大架参数化有限元模型各板厚参数、设计上 限、设计下限及参数说明如表2所示 图3后大架架体形状参数 图4驻锄加强筋形状参数 表1后大架参数化有限元模型形状参数表 Machine Building Automation，Oct 2014，钳(5)：192195 续表1 表2后大架参数化有限元模型板厚参
10、数表 2试验设计及近似模型 若对全炮模型直接运用多岛遗传算法进行优化设计至 少需要上千次寻优计算，耗时过长。一轮优化至少将耗时几 周的时间显然是不现实的。对于复杂的工程问题，可采用 通过实验设计采样制作的近似模型(亦称代理模型)，将原有 的复杂系统结构力学模型转换成一个数学模型，使单次寻优 计算时间大幅降低，优化设计效率大大提高。 本文研究的计算模型即全炮刚柔混合动力学有限元模 型兼具材料非线性、几何非线性和边界非线性，这种场合使 用Kriging模型最合适。近似模型的制作流程如图5所示。 首先通过试验设计(DOE)确定样本点，然后对这些样本点逐 一进行有限元计算获得输出结果，根据输入值、输出
11、值建立 近似模型，待验证模型准确后即可用于优化计算。 图5近似模型制作流程图 样本点选取采用拉丁方(LHS)试验设计方法，他具有 较好的散布均匀性和随机性可用较少的样本点获得较全 面的信息。 在1 1个优化参数的设计范围内选取了200个样本点 构造Kriging近似模型，经验证计算，该模型能较好地模拟 复杂系统非线性有限元问题部分样本点如表3所示。 l93 电气与自动化 张俊飞，等某牵引火炮后大架轻量化设计 3优化设计及结果 31优化数学模型 将经过试验设计的Kriging模型作为优化模型。具体 数学模型描述如下： D ctive=MinMass Js ： Xi MaxMises 其中：Max
12、Mises为后大架最大应力，Mass为全炮质量， 为设计参数，包括后大架形状参数和板厚参数共11个参 数，盯 为材料许用应力，这里取720MPa。 32优化算法 遗传算法是如今广为应用的一类求解复杂全局最优 化问题的仿生型优化算法。在传统遗传算法的应用过程 中有一个突出的问题是，它容易产生早熟现象，这将严重 地影响算法的应用效果，多岛遗传算法也是根据目标函数 和约束条件对每个设计点进行评估，但不同的是，多岛遗 传算法将设计种群分解为子种群，也称为“岛”，而且算法 中的迁移操作保持了优化解的多样性，提高了包含全局最 优解的机会进化流程如图6所示。 图6多岛遗传算法进化流程 在Kriging近似模
13、型基础上，基于多岛遗传算法 (MIGA)对全炮模型进行优化。多岛遗传算法参数设置： 1)采用二进制编码，基因长度设为32。 2)经过多次试验研究将设计空间分为lO个岛，每个 194 岛10个个体，群体规模为100这个规模对本例的优化较 为合适。遗传代数4O代，外迭代次数为5，故总的运行次 数为20014步。 3)为了保证多岛遗传算法的收敛性，本文是采用最优 个体保存策略的，即每代的最优个体直接保留至下一代。不 参与交叉与变异操作，每个岛屿只保留1个最优个体。 4)通过对交叉于遗传这两个遗传算子的多次试验研 究，将本文的交叉概率设为09变异概率设为001。 5)迁移间隔为5代，迁移率为05。 3
14、3优化结果分析 通过优化历程看出整个寻优过程有明显的下降趋 势，优化结果如表4所示。 表4基于MIGA的后大架Kriging模型最优解 与初始解数值对比 http：ZZHDchinajourna1netcn E-mail：ZZHDchainajouma1netCll机械制造与自动化 电气与自动化 张俊飞，等某牵引火炮后大架轻量化设计 经过多岛遗传算法优化后全炮质量减少125 kg同 时后大架最大应力处的Mises值小于材料的屈服极限。 由于本文仅考察后大架轻量化，故相当于优化后的后大架 质量减少了125 ，约占后大架优化前质量的14，所以 优化效果明显。 4 结论 本文在建立某牵引火炮动力学有
15、限元模型的基础上 考察基于，火炮总体发射下的后大架轻量化设计为了提 高优化效率。尝试使用近似模型代替原有限元参数化模型 进行多岛遗传算法优化，得到了使全炮质量最轻的一组后 大架参数最优解。 代理模型在保证与原有模型计算准确性基础上，使得 一次运算历程缩短至不到1 s，从而确保了优化的可行性 及结果可靠性。 从优化结果可以看出，这种通过在总体建模框架下考 察某个部件轻量化的思路可行且效果明显，因此，对于其 余各部件的结构设计及轻量化，该思路与方法具有一定的 推广应用价值。 参考文献 1马洪锋迫击炮座钣结构分析与优化设计c南京：南京理 工大学。2009：1929 2项立银基于组合优化算法的结构稳健
16、优化方法研究与应用 c南京：南京理工大学，2011：4251 3周成轻量化牵引火炮动力学分析与优化研究c南京：南 京理工大学，2011：3738 4赵志国，司传胜基于多岛遗传算法的铰接车轮边减速器优化 设计J机械设计与制造，2010(12) 5牟淑志，杜青江，牟福元，等基于多岛遗传算法的连续体结构 拓扑优化J机械科学与技术，2009(1O) 收稿日期：20130621 (上接第179页) 参考文献 1夏辛明可编程序控制器及应用M北京：北京理工大学 出版社，1999：99183 2金广业可编程序控制器应用技术M北京：中国电力出 版社2003：156198 出版社2004：138176 4初嘉鹏，
17、贺凤宝机械设计基础M北京：中国计量出版社， 2002：6375 5吴建生工程力学M北京：机械工业出版社，2003： 176220 6方良元机械基础M北京：中国劳动社会保障出版社， 2003：192210 3机械设计手册编委会机械设计手册M北京：机械工业 收稿日期：20140416 (上接第188页) 作为传统可靠性评估方法的补充。本文应用模糊TOPSIS 理论对车门系统故障模式进行可靠性评估得知EDCU功 能失效、螺母组件破损和行程开关s1破损等3个故障模 式对车门系统具有较大的危害性，应得到维修部门的重点 关注。该评估结果与现场实际检修工程师经验保持一致， 验证了本文方法的有效性将为地铁车门
18、的改进设计与维 修决策的制定提供技术支持。 参考文献 1尚葳蕤，戴忠健，侯朝桢基于模糊综合评估的嵌入式系统 FMECAJ计算机仿真，2006，23(10)：5356 2李华府，任羿，曾声奎，等基于TOPSIS的故障模式危害性决 策方法研究J兵工自动化，2008，27(11)：9092 3朱小娟，王建兵，印祯民上海地铁车辆客室车门可靠性技术 研究J城市轨道交通研究，2010，(3)：3134 4朱士有，吕劲松车辆检修工M北京：中国劳动社会保障 Machine Building日Automation，Oct 2014，43(5)：192195 出版社2011 5Ahmet Can Kutlu，Me
19、hmet EkmekciogluFuzzy failure modes and effects analysis by using fuzzy TOPSISbased fuzzy AHPJ Expert Systems with Applications，2012，(39)：6167 6Chen，CTExtensions of the TOPSIS for group decision-making under fuzzy environmentJFuzzy Sets and Systems，2000， (114)：1-9 【7李金秋，于晶贤，苗晨基于模糊AHP与模糊TOPSIS的人才 选拔方
20、案J辽宁石油化工大学学报，2012，32(4)：88-91 8TienChin Wang，TsungHan ChangApplication of TOPSIS in e valuating initial training aircraft under a fuzzy environmentJ Expert Systems with Ap01ieations，2007，(33)：870880 9王娟茹基于模糊AHP和TOPSIS的企业知识吸收能力评价 J工业工程，2010，13(3)：105-110 10陈军，张会生，张继光基于TOPSIS理论的导弹武器系统性 能评估J计算机仿真，2010，27(9)；8387 收稿日期：20130704 195
