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半可燃药筒火炮密封结构多目标优化设计

作　者: 付强
导　师: 陈龙淼
学　校: 南京理工大学
专　业: 火炮、自动武器与弹药工程
关键词: 火炮半可燃药筒参数化建模 Python语言弹塑性力学优化设计响应面法
分类号: TJ303
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

旋转药室密封技术是埋头弹火炮系统的关键技术之一。某型埋头弹火炮采用半可燃药筒结构用以旋转药室的密封,在实现密封的同时,也带来了火炮抽筒的技术问题。本文以某国防预研课题为背景,应用有限元、弹塑性力学、结构优化设计等理论对某型半可燃药筒火炮的密封问题与抽筒问题的机理进行了深入研究,不仅为解决工程中的实际问题提供了理论依据和决策参考,而且文中采用的兼顾计算精度和效率的优化策略为工程领域相关问题的解决提供了一种新的思路。主要研究内容如下：(1)分析了某型半可燃药筒火炮的密封机制,找到了其密封的关键区域,并在此基础之上建立起了该型半可燃药筒可靠密封的评判准则,即将密封通道B的密封开始时间作为整体密封效果的评判依据。同时,运用有限元动态响应分析的方法对密封结构的强度和闭气性等能进行了综合分析,揭示了密封问题和抽筒问题的内在联系,明确了在保证密封前提条件下,尽可能减小抽筒力的设计原则和目标。(2)运用Python语言对非线性有限元软件ABAQUS进行了二次开发,将对抽筒力大小影响较大的设计变量进行参数化处理,从而建立起密封结构的参数化模型,为实现优化过程的自动化提供保证。(3)通过对该型火炮抽筒物理过程的研究,确定了半可燃药筒残余接触力是导致抽筒困难的主要原因。同时,提出了针对该型火炮密封结构材料特性的基本假设,并对贴膛前、贴膛后至最大膛压、卸载三个阶段中,药筒与身管药室之间的相互作用情况进行了分析,推导了基于静态弹塑性理论的某型火炮抽筒力计算模型。通过与有限元计算结果对比,验证了模型的合理性。通过进一步对模型的讨论,确定了优选材料和优化半可燃药筒设计参数组合作为减小抽筒力的两个重要途径,同时,也为后续密封结构设计参数的优化工作提供了待优化设计变量。(4)基于所建立的密封结构参数化模型,结合对抽筒力影响因素的分析,建立起以半可燃药筒密封结构的三个设计变量,即密封段长度、密封段厚度和初始间隙作为待优化的设计变量,以密封可靠作为约束前提条件,以密封时间最短、抽筒阻力最小、密封结构总质量最小为目标函数,适用于该型半可燃药筒密封结构的优化数学模型。同时,从工程实际的角度确定了这三个设计变量的取值范围及“步长”。最后,基于多学科优化集成软件平台mode-FRONTIER,对该优化模型进行了构建和计算,确定出了一组既满足密封要求,又可大幅减小抽筒力,同时密封段总质量不大的设计参数组合。(5)针对动态非线性有限元计算需要占用大量机时的特点,在优化过程中引入了响应面方法。提出了三种基于响应面法的优化方案,并从设计试验、响应面模型的建立及检验等角度对这三种方案进行了比较分析,最终确定了自编程正交多项式拟合法作为响应面法在此文中应用的最终方案。采用响应面法和其他优化算法相结合的优化策略,可以兼顾计算精度和计算效率,为该类密封结构的优化设计提供一种新的思路。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
1 绪论  12-19
  1.1 选题背景和研究意义  12-13
  1.2 国内外研究现状和发展趋势  13-16
    1.2.1 密封技术  13-15
    1.2.2 抽筒问题研究  15
    1.2.3 结构优化设计  15-16
    1.2.4 响应面法  16
  1.3 本文主要研究内容  16-19
2 某型半可燃药筒火炮密封结构综合性能分析  19-38
  2.1 引言  19
  2.2 理论方法与技术途径  19-22
    2.2.1 结构有限元概述  19-20
    2.2.2 有限元软件ABAQUS  20
    2.2.3 Python语言及ABAQUS的二次开发  20-22
  2.3 某型半可燃药筒火炮密封结构工作原理  22-25
    2.3.1 旋转药室密封特点  22-23
    2.3.2 某型火炮半可燃药筒密封结构密封机制  23-24
    2.3.3 某型火炮半可燃药筒可靠密封评判准则的建立  24-25
  2.4 某型火炮半可燃药筒密封结构动态响应分析  25-35
    2.4.1 密封结构模型的建立  25-27
    2.4.2 分析流程及相关参数设定  27-30
    2.4.3 结果分析  30-35
  2.5 某型火炮半可燃药筒密封结构综合性能分析  35-36
  2.6 某型火炮半可燃药筒密封结构参数化建模  36-37
  2.7 本章小结  37-38
3 某型半可燃药筒火炮抽筒力影响因素研究  38-52
  3.1 引言  38
  3.2 符号说明  38-40
  3.3 抽筒物理过程分析  40-41
    3.3.1 贴膛前的过程  40
    3.3.2 贴膛后至最大膛压的过程  40
    3.3.3 膛压下降的过程  40-41
  3.4 基于静态弹塑性理论的抽筒问题模型的建立  41-48
    3.4.1 基本假设  41-42
    3.4.2 各阶段力学分析  42-47
    3.4.3 抽筒问题模型的建立  47-48
  3.5 半可燃药筒抽筒力计算模型的验证  48-50
    3.5.1 结构的简化及计算区域的划分  48-50
    3.5.2 计算结果及其分析  50
  3.6 半可燃药筒抽筒力影响因素的确定  50-51
  3.7 本章小结  51-52
4 某型半可燃药筒火炮密封结构优化设计  52-76
  4.1 引言  52
  4.2 主要理论与方法  52-58
    4.2.1 优化设计的基本问题  52-53
    4.2.2 结构优化方法  53-55
    4.2.3 多学科优化软件mode-FRONTIER介绍  55-56
    4.2.4 响应面法介绍  56-58
  4.3 密封结构优化模型的建立  58-60
    4.3.1 设计变量取值范围的确定  58
    4.3.2 优化数学模型的建立  58-59
    4.3.3 优化架构的建立及主要参数的设置  59-60
    4.3.4 优化算法的选择  60
  4.4 响应面法的应用  60-74
    4.4.1 响应面法的分类和选用  60-61
    4.4.2 试验设计  61-63
    4.4.3 响应面模型的建立与验证  63-72
    4.4.4 响应面法与优化算法的集成  72-74
  4.5 优化结果分析  74-75
    4.5.1 优化后设计参数的选取  74
    4.5.2 优化后密封结构综合性能分析  74-75
  4.6 本章小结  75-76
5 全文工作总结  76-78
  5.1 本文主要工作和结论  76-77
  5.2 研究展望  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-83
攻读硕士期间发表论文情况  83

半可燃药筒火炮密封结构多目标优化设计

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