CN111475984B - 方形发射箱装置中箱盖外形结构参数优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方形发射箱装置中箱盖外形结构参数优化设计方法，该方法通过解析求解发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构在均布外压下的挠度，构建综合挠度函数，形成以箱盖外压承载变形挠度最小为目标的箱盖外形结构参数优化设计方法，有助于最大化设计发射箱盖的外压承载刚度。相比于现有发射箱盖外形结构设计方法，本发明避免了有限元建模迭代仿真，优化效率高，能够在给定的结构边界及约束条件下得到箱盖外侧承压性能最优时箱盖外形结构参数的最优解。
Description
技术领域
本发明属于兵器发射技术领域，具体涉及一种方形发射箱装置中箱盖外形结构参数优化设计方法。
背景技术
多联装储运发一体化发射装置，集日常贮存、训练转运、战时发射、连续发射等优势于一体，被广泛应用于现代战术武器发射系统中。在多联装储运发射箱装置中，燃气冲破式复合材料发射箱盖具有开盖原理先进、开盖响应迅速、开盖结构简单、对弹体无附加冲击载荷等特点，在各类导弹、无人机、靶机的发射装置中得到应用与不断发展。
燃气冲破式复合材料发射箱盖主要是在复合材料箱盖主体结构中预设薄弱结构，如在箱盖主体部位预制沟槽、将箱盖主体分割后用树脂粘接（如ZL201410090565.3）或采用复合材料搭接布搭接（如ZL201110218484.3），通过燃气压力作用于箱盖上，使得箱盖在薄弱结构处破坏并飞离发射区域，从而实现快速开盖。在多联装发射装置中，发射箱盖需要可靠承受邻近箱体发射时的燃气载荷作用，而薄弱结构削弱了发射箱盖的外侧承压能力，导致在实际应用中容易出现发射箱盖外侧承压破坏的现象（刘宇盖, 蔡亮, 蔡振杰, 等. 基于有限元分析的前易碎盖外压承载能力的改进设计[J]. 理化检验(物理分册), 2019, 55(01): 1-4,18.），危及发射安全性。
由于薄弱结构势必会降低复合材料发射箱盖的承外压性能，因此应尽可能地通过优化发射箱盖的外形结构，提升整体结构的承载刚度来优化箱盖的抗外压性能。在设计发射箱盖外形结构时，研究人员（钱元. 冲破式复合材料发射箱盖结构设计和试验研究[D];南京航空航天大学, 2013。冯维超. 并联装复合材料发射箱盖优化设计和实验研究[D];南京航空航天大学, 2013。）通常取样不同外形结构参数的箱盖，采用有限元方法仿真评估各外形方案中箱盖的承压性能，最终遴选出箱盖外压承载性能最优的外形结构参数。虽然这种设计方法有效，但是依赖于大量的有限元仿真，效率低，难以得到最优解，尚未形成一种能有效优化发射箱盖外形结构参数的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有发射箱盖外形结构设计方法的不足，针对方形发射箱装置中的发射箱盖外压承载性能进行建模分析，以发射箱盖外压承载性能最优为目标，提供一种方形发射箱装置中发射箱盖外形结构参数优化设计方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种方形发射箱装置中箱盖外形结构参数优化设计方法，包括如下步骤：
（1）将方形发射箱中的箱盖对称截面几何特征等效为等截面梁结构，等截面梁结构包括倾斜承压段、水平承压段及固定安装段；
（2）等截面梁结构的几何特征参数包括：箱盖外侧压力作用区域在箱盖安装平面的投影长度2L 0、倾斜承压段宽度L 1、水平承压段宽度2L 2、倾斜承压段与箱盖安装平面的夹角为θ；发射箱盖外形结构设计参数采用发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构设计参数表征：L 1 、L 2 、θ，且满足关系式L 1cosθ+ L 2= L 0；
（3）求解发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构在外侧均布压力载荷P作用下的外侧承压挠度，包括等截面梁结构的倾斜承压段中心点在倾斜承压段的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段中心点在水平承压段的垂向挠度
；
（4）构建综合挠度函数
；
（5）基于综合挠度函数
建立优化问题，在满足约束条件
及边界条件
的基础上，确保
的值最小化；其中
代表优化问题中发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构倾斜承压段与箱盖安装平面的夹角可选取的最小值；
代表实际发射箱结构中发射箱盖可允许的最大高度；
（6）结合实际的方形发射箱盖对称截面几何特征参数，采用多目标约束优化方法，对步骤（5）中的优化函数进行优化，得出发射箱盖外压承载性能最优时发射箱盖的外形结构参数。
进一步的，求解发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构在外侧均布压力载荷P作用下的外侧承压挠度，包括等截面梁结构的倾斜承压段中心点在倾斜承压段的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段中心点在水平承压段的垂向挠度
，具体方法如下：
a）在等截面梁结构倾斜承压段与等截面梁结构水平承压段交接位置处采用刚化假设，即认为倾斜承压段与水平承压段交接位置处的转角不发生变化；
b）采用材料力学理论中的莫尔积分、二次立法正则方程、图乘法，求解得出发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构的倾斜承压段中心点在倾斜承压段的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段中心点在水平承压段的垂向挠度
分别如下：
式中E代表发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构材料的等效弹性模量，I代表发射箱盖对称截面等效的等截面梁结构的截面惯性积。
进一步的，步骤（2）中，当θ=0°时，发射箱盖成为平板型箱盖；当θ=90°且L 2 = L 0时，发射箱盖成为方帽型箱盖；当0°<θ<90°时，发射箱盖为棱台型箱盖；通过选择不同的L 1 、L 2 、θ值，即可得出不同外形结构参数的发射箱盖。
进一步的，步骤（6）所述的结合实际的方形发射箱盖对称截面几何特征参数，采用多目标约束优化方法，对步骤（5）中的优化函数进行优化，得出发射箱盖外压承载性能最优时发射箱盖的外形结构参数，具体步骤如下：
a）设定边界条件；
b）采用MATALB中的optimization优化工具箱，通过基于内点法的非线性优化算法对步骤（5）中的优化问题进行优化；
c）优化得出箱盖对称截面结构的设计参数；
d）采用有限元方法对不同设计参数下箱盖的承压变形结果进行分析，验证前述优化结果的正确性。
与现有多联装储运发射装置中发射箱盖外形结构设计方法相比，本发明具有以下显著优点：
（1）本发明提出的方法，能够解析求解得出发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构的外侧承压挠度，从而可以定性评估发射箱盖的外压承载性能；
（2）本发明提出的棱台型发射箱盖外形结构优化设计方法，是基于解析函数进行优化的，避免了有限元建模迭代仿真，优化效率高，并且能够在给定的结构边界及约束条件下得到箱盖外侧承压性能最优时箱盖外形结构参数的最优解。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是方形发射箱常用的发射箱盖外形结构示意图。
图2是方形发射箱常用发射箱盖对称截面几何特征示意图。
图3是方形发射箱中发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构承受均布外压的等效力学模型示意图。
图4是箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构承受均布外压的综合挠度函数曲面图。
图1中10为平板型箱盖、20为方帽型箱盖、30为棱台型箱盖，图2中11为平板型箱盖对称截面几何特征、21为方帽型箱盖对称截面几何特征、31为平板型箱盖对称截面几何特征，图3中32为等截面梁结构倾斜承压段、33为等截面梁结构水平承压段、34为等截面梁结构固定安装段。
具体实施方式
结合图1、图2、图3，本发明提出一种方形发射箱装置中箱盖外形结构参数优化设计方法，包括如下步骤：
（1）方形发射箱中通常采用平板型箱盖10、方帽型箱盖20、棱台型箱盖30；结合平板型箱盖对称截面几何特征11、方帽型箱盖对称截面几何特征21、棱台型箱盖对称截面几何特征31，将方形发射箱中的箱盖对称截面几何特征等效为等截面梁结构，等截面梁结构包括了倾斜承压段32、水平承压段33及固定安装段34，等截面梁结构的几何特征参数包括：箱盖外侧压力作用区域在箱盖安装平面的投影长度2L 0、倾斜承压段宽度L 1、水平承压段宽度2L 2、倾斜承压段与箱盖安装平面的夹角为θ。
（2）将发射箱盖外形结构设计参数归结为发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构设计参数：L 1 、L 2 、θ，且满足关系式L 1cosθ+ L 2= L 0。当θ=0°时，发射箱盖成为平板型箱盖10。当θ=90°且L 2 = L 0时，发射箱盖成为方帽型箱盖20。当0°<θ<90°时，发射箱盖为棱台型箱盖30。通过选择不同的L 1 、L 2 、θ值，即可得出不同外形结构参数的发射箱盖。此时，通过分析外压加载下等截面梁结构的挠度来评估发射箱盖的外压承载性能，并优化发射箱盖外形结构设计参数。
（3）在优化发射箱盖的外形结构设计参数前，首先求解发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构在外侧均布压力载荷P作用下的外侧承压挠度，包括等截面梁结构的倾斜承压段32中心点在倾斜承压段32的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段33中心点在水平承压段33的垂向挠度
：
在等截面梁结构倾斜承压段32与等截面梁结构水平承压段33交接位置处采用刚化假设，即认为倾斜承压段32与水平承压段33交接位置处的转角不发生变化；
采用材料力学理论中的莫尔积分、二次立法正则方程、图乘法，求解得出发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构的倾斜承压段32中心点在倾斜承压段32的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段33中心点在水平承压段33的垂向挠度
分别如下：
式中E代表了发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构材料的等效弹性模量、I代表了发射箱盖对称截面等效的等截面梁结构的截面惯性积。
在对箱盖承载刚度优化之前，先采用有限元方法对等截面梁结构倾斜承压段32的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段33的垂向挠度
解析求解结果进行验证：
a.有限元分析中，采用商业有限元软件Abaqus建立直径为1mm的等截面梁结构模型，材料弹性模量E=210GPa，均布压力载荷P=0.01N/mm，建模时采用梁单元，网格全局尺寸设置为1mm；
b.有限元建模中的参数及仿真结果如下所示：
表1 对称截面结构在均布外压下C点挠度
预测结果
表2 对称截面结构在均布外压下D点挠度ΔD预测结果
c.等截面梁结构倾斜承压段32的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段33的垂向挠度
解析求解结果与有限元预测结果相吻合，验证了等截面梁结构倾斜承压段32的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段33的垂向挠度
解析求解结果的正确性；
d.根据表1和表2可发现方帽型箱盖和平板型箱盖在外压作用下的挠度均大于棱台型箱盖的挠度。因此，在相同外压条件、相似结构尺寸、相同材料及铺层设置的条件下，棱台型箱盖的外压承载刚度优于平板型和方帽型箱盖。因此主要选取棱台型发射箱盖进行结构设计及优化，并以箱盖外压承载刚度最优为目标，优化发射箱盖外形结构参数。
（4）为确保发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构在外侧压力作用下变形的均匀性，避免箱盖不同区域变形差异过大而导致箱盖破坏，需要保证箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构倾斜承压段32中心点在倾斜承压段32的垂向挠度
、等截面梁结构水平承压段33中心点在水平承压段33的垂向挠度
的差值最小，此外还需要保证等截面梁结构在外侧压力作用下各区域的挠度幅值最小，构建以下形式的综合挠度函数
：
（5）基于综合挠度函数
，构建发射箱盖外形结构参数优化函数：
式中，min代表了以
的值最小化为目标函数，
代表了优化问题中发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构倾斜承压段32与箱盖安装平面的夹角可选取的最小值。
代表了实际发射箱结构中发射箱盖可允许的最大高度，即箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构水平承压段33与发射箱盖安装平面的垂向距离。st代表了在优化
时需要确保满足约束条件：
；
（6）根据实际的方形发射箱盖对称截面几何结构参数，采用多目标约束优化方法，对步骤（5）中的优化函数进行优化，得出以发射箱盖外压承载变形最小为目标的发射箱盖外形结构设计参数：
a）一种实施例中，
=120mm，2L 0=670mm；若转角θ设置过小，箱盖外形更接近于平板型箱盖，承压性能较差。并且，若此时L 1和L 2均大于零，挠度函数求解过程中采用等截面梁结构倾斜承压段32与水平承压段33交接位置处的刚化假设不再成立，采用综合挠度函数评估箱盖变形会引起结果失真，导致得出不正确的结果，因此在优化过程中设定边界条件为L 1∈(0,330)，θ∈[15°,90°]；
b）采用软件MATALB中的optimization优化工具箱，采用基于内点法（Interiorpoint method）的非线性优化算法对步骤（5）中的优化问题进行优化，优化初始条件设置为：L 1=10mm，θ=18°；
c）优化得出箱盖对称截面结构的设计参数（优化过程中各参数均取为整数）：L 1=228mm，L 2=115mm，θ=15°。
d）采用有限元方法对不同设计参数下箱盖的承压变形结果进行分析，验证前述优化结果的正确性：
i.发射箱盖以连续玻纤增强复合材料（英文简称GFRP）多向层板制作主体结构，发射箱盖采用各向同性铺层设置，单层厚度为0.2mm，箱盖固定安装法兰边厚度设置为10mm，箱盖承压壁面的壁厚设置为5mm；
ii.在有限元软件Abaqus中建立发射箱盖的有限元模型，铺层采用实体属性的composite layup建模，外压承载分析中，箱盖外侧施加均布压力30kPa；箱盖材料的网格单边尺寸设置为5mm，网格属性为C3D8，箱盖固定安装法兰边采用固定位移边界条件；有限元建模仿真中GFRP材料参数如下表所示：
表3 有限元分析中GFRP材料参数
上表中，E 1,E 2,E 3分别是GFRP材料中沿着纤维方向、面内横向和面外横向的杨氏模量，G 12, G 23, G 31是剪切模量，
是泊松比，
；
iii.在有限元建模分析中，选取不同的发射箱盖对称截面几何特征参数建立不同外形结构的发射箱盖的有限元模型，选取的发射箱盖对称截面几何特征参数及相应的预测结果如下表所示：
表4 不同发射箱盖外形结构参数下箱盖承压变形的有限元预测结果
iv.对比表4和图4，可发现有限元预测得出的不同外形结构设计参数下发射箱盖外压承载变形的变化规律与基于综合挠度函数预测得出的变化规律一致，两者预测挠度变化趋势是相同的，证明了基于综合挠度函数评估发射箱盖外侧承压性能的合理性；并且，在列举的八组不同外形参数中，编号YSG2的外压承载挠度最小，表现出的外压承载刚度最优，有限元结果验证了基于综合挠度函数优化得出的发射箱盖外形结构参数的正确性。
前述步骤（1）~步骤（6）共同形成了方形发射箱装置中发射箱盖外形结构参数优化设计方法，结合一种具体实施例给出了该设计方法的使用过程，并通过有限元建模仿真方法验证了提出的方形发射箱装置中发射箱盖外形结构参数优化设计方法的正确性。
此说明书中，本发明已参照技术方案的特定实施例作出描述，但仍然可以作出各种修改和变换而不背离本发明的原理和范围。因此，上述仅是本发明的具体实施例及所运用的技术原理。若基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，均属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种方形发射箱装置中箱盖外形结构参数优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将方形发射箱中的箱盖对称截面几何特征等效为等截面梁结构，等截面梁结构包括倾斜承压段、水平承压段及固定安装段；
（2）等截面梁结构的几何特征参数包括：箱盖外侧压力作用区域在箱盖安装平面的投影长度2L 0、倾斜承压段宽度L 1、水平承压段宽度2L 2、倾斜承压段与箱盖安装平面的夹角为θ；发射箱盖外形结构设计参数采用发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构设计参数表征：L 1 、L 2 、θ，且满足关系式L 1cosθ+ L 2= L 0；
（3）求解发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构在外侧均布压力载荷P作用下的外侧承压挠度，包括等截面梁结构的倾斜承压段中心点在倾斜承压段的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段中心点在水平承压段的垂向挠度
；
（4）构建综合挠度函数
；
（5）基于综合挠度函数
建立优化问题，在满足约束条件
及边界条件
的基础上，确保
的值最小化；其中
代表优化问题中发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构倾斜承压段与箱盖安装平面的夹角可选取的最小值；
代表实际发射箱结构中发射箱盖可允许的最大高度；
（6）结合实际的方形发射箱盖对称截面几何特征参数，采用多目标约束优化方法，对步骤（5）中的优化函数进行优化，得出发射箱盖外压承载性能最优时发射箱盖的外形结构参数。
2.根据权利要求1所述的方形发射箱装置中箱盖外形结构参数优化设计方法，其特征在于，求解发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构在外侧均布压力载荷P作用下的外侧承压挠度，包括等截面梁结构的倾斜承压段中心点在倾斜承压段的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段中心点在水平承压段的垂向挠度
，具体方法如下：
a）在等截面梁结构倾斜承压段与等截面梁结构水平承压段交接位置处采用刚化假设，即认为倾斜承压段与水平承压段交接位置处的转角不发生变化；
b）采用材料力学理论中的莫尔积分、二次立法正则方程、图乘法，求解得出发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构的倾斜承压段中心点在倾斜承压段的垂向挠度
、等截面梁结构的水平承压段中心点在水平承压段的垂向挠度
分别如下：
式中E代表发射箱盖对称截面几何特征等效的等截面梁结构材料的等效弹性模量，I代表发射箱盖对称截面等效的等截面梁结构的截面惯性积。
3.根据权利要求1所述的方形发射箱装置中箱盖外形结构参数优化设计方法，其特征在于，步骤（2）中，当θ=0°时，发射箱盖成为平板型箱盖；当θ=90°且L 2 = L 0时，发射箱盖成为方帽型箱盖；当0°<θ<90°时，发射箱盖为棱台型箱盖；通过选择不同的L 1 、L 2 、θ值，即可得出不同外形结构参数的发射箱盖。
4.根据权利要求1所述的方形发射箱装置中箱盖外形结构参数优化设计方法，其特征在于，步骤（6）所述的结合实际的方形发射箱盖对称截面几何特征参数，采用多目标约束优化方法，对步骤（5）中的优化函数进行优化，得出发射箱盖外压承载性能最优时发射箱盖的外形结构参数，具体步骤如下：
a）设定边界条件；
b）采用MATALB中的optimization优化工具箱，通过基于内点法的非线性优化算法对步骤（5）中的优化问题进行优化；
c）优化得出箱盖对称截面结构的设计参数；
d）采用有限元方法对不同设计参数下箱盖的承压变形结果进行分析，验证步骤c）中的箱盖对称截面结构的设计参数的正确性。
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