一种枪械总体动态优化设计的新方法

一种枪械总体动态优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的新 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 础上开发了应用平台.最后给出了一个机枪的四个子系统两级优化模型的算例.说明在该平台上 应用MDO方法于机枪的总体优化设计是可行的. 关键词:机械学;枪械;多学科优化方法;动态优化;大口径机枪 中图分类号:TJ206文献标志码:A文章编号:1000—1093(2005)02—0150—05 枪械领域对结构性能的不断追求,推动了枪械 现代设计方法的研究.由传统的设计模式向并行协 同设计发展,由局部的最优化设计向多学科融合技 术的总体的广义优化发展.枪械设计主要涉及结 构,材料,气体动力学(内外弹道),运动学,结构动力 学,热和生物力学等多个学科的知识.过去设计人 员先是在各自的学科领域进行设计,再交给总体设 计人员去分析,在总的设计要求下,凭经验在各个领 域之间进行反复综合权衡,得出设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .这样虽 然可以得到系统的一个满意解,但不能达到全系统, 全性能和全过程的优化,效率也不高.MDO方法是 一 种源于大系统理论的优化方法,其突出特点是适 合分析由多个耦合学科或子系统组成的复杂系统, 即能够得到整体的优化并保持各系统一定的自主 性.把MDO方法应用于轻武器设计可以有效的提 高设计质量,缩短设计周期. 1基于MDO的枪械总体动态设计原理 多学科优化设计方法主要有以下几种_4J:多学 科可行法(A_I—o法),单学科可行法(IDF),并行子 空间法,协同优化法,BLISS法等.根据它们的框架 结构特点,可分为三大类:1) 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的系统级优化方 法该法与传统的单学科优化方法没有本质的区 别.应用于系统分析不复杂的多学科设计优化问 收稿日期:2004—02—01 题.2)基于并行分析的单级优化方法该法的优点 是每个子系统的分析可并行地进行,但只在系统级 进行优化.3)并行设计优化方法该法也是将复杂 系统的设计优化分解为若干子系统设计优化问题. 每个学科(或子系统)能同时进行设计优化,实现了 并行设计的思想.可见MDO方法关键在于把设计 任务分解成不同的子任务,分别对每个子任务进行 优化,然后在系统水平综合优化.多学科设计方法 从数学角度研究,总体上是一个数学规划的优化问 题(见图1).因此可以把复杂系统的多学科设计优 化问题表达为 系统级: rain:F{x(z,z)}.(1) S.t.:gi(X)?0,i=1,2,…,; (X)=0,=1,2,…,. 式中:F(X)为目标函数,x为自变量(z为系统交 叉变量,z为系统独立自变量);g(x)为不等式约 束;hj(x)为等式约束. 子系统级: ran:A{x(,,)},s=1,2,…,k;,q,r=1,2,…. S.t.:g,j(X)?0,=1,2,…,; H(X)=0,i=1,2,…,.(2) 式中:(x)为子系统目标函数(s为子系统数),x 为自变量(zp为系统交叉耦合变量,z田为子系统独 第2期一种枪械总体动态优化设计的新方法l5l 立自变量,为子系统间关联耦合变量);(x) 为子系统不等式约束;hi(x)为子系统等式约束. 图1两级MD0的优化问题 Fig.1Two[eve[MIX)optimization 具体到系统分析和分解时,视耦合变量的多少 和复杂性可以把松耦合系统看作是多维紧耦合系统 特殊形式来处理.对于复杂系统工程和子系统, MDO通过利用系统中相互作用的协同机制综合考 虑各学科的限制因素,而得到最优设计结果.同样, 作为复杂机械产品的枪械,其设计可以按学科如图 2所示,也可以按各关重部件如图3所示,建立系统 和子系统模型,建立一种基于分层结构的枪械设计 MDO模型关系. 子系统1 基于全枪系统的设计目标,建 立优化目标,定义变量和约束 士墨堑 CAD模型优化结构 分析(材料,质 量,惯性矩,几 何形状等) 墨笪 多体模型优化 运动学,动力 学分析(速度, 加速度,力等) … 霉鏊?萋ll囊萎l…图2基于学科的系统划分 Fig.2SystemdividingbasedOndisciplines 基于全枪系统的设计目标,建 立优化目标,定义变量和约束 兰墨竺二 基于枪管部件的 设计目标,建屯 优化目标,变量 和约束 士亟堑 基于座架部件的 设计目标,建立 优化目标,变量 和约柬 墨笪 基于自动机部件 的设计目标,建 立优化目标,变 量和约束 霎llfll…lfl蓁fl垂l…图3基于关重部件的系统划分 Fig.3SystemdividingbasedOnkeyparts 系统的划分,依据设计时主要目标或多个目标 来进行.为了满足系统级的优化和便于实现算法迭 代,要对系统的数据进行集成,采用C++和SQL 作为工具来开发枪械多学科优化设计平台,对于内 弹道和有显式的公式算法采用直接编程,而有限元 法(FEM)分析采用Ansys商用软件的宏命令来实 现循环_3j见图4;这样既可以保证算法的收敛和可 靠性,也可以保证数据结果的稳定性. 图4集成平台 Fig.4IntegrationplatformsofMDO 2机枪总体动态设计实例 2.1以某机枪设计为例,以整枪的射击精度为系统 优化目标,枪管,自动机,枪架,机匣为子系统 建立一个四个子系统的两级优化模型 2.1.1(系统级)基于全枪的枪口动态响应优化模 型 整枪在零射角的弹丸总散布d,是由高低散布 Ay和方向散布?构成【,其表达式见(1)式.以d 为优化目标,在有限元计算膛VI响应时,6个初始扰 动位移(,,,Oy,)及6个初始速度(,, 乏,,Or,0)为直接变量[,影响这些变量因素为 弹底压力Pb,导气室压力P,自动机后坐到位碰撞 力F,复进力F,及全枪各部件质量,刚度分布等. 为了简化,选自动机后坐到位碰撞力F,枪架质量 Mm,自动机质量M,枪管的质量Mb,机匣质量M 为总体设计变量.影响机枪高低散布的主要因素有 枪VI点绕轴的转角,枪VI点方向的位移y及枪 VI点方向速度与弹丸出枪El速度0的夹角 arctan;影响方向散布的主要因素有枪口点绕. y 轴的转角枪口点方向位移及枪口点方向速度 化力频变 优动有应等 型构固,应模结力响 元与计应和 限度设,移有强学率位 152兵工第26卷 乏与弹丸出枪1:3速度uo的夹角arctan.这里F MMb,M是与子系统相关的耦合变量. min:d=~/(Ay)+(zxz).(3) s.t.:Man<27kg; (i)<口(i)o,i=1,2,…材料种类; Lall<1640mm. 其中: /Xy?v+(0,+arctan上)X(4) ‘V0 是零射角下高低散布; A?2+(一+arctanz . )X(5) 是零射角下方向散布;X为射击距离;z,Y为枪口 在,Y方向位移;乏,为枪口在,Y方向速度;,Oy 为枪口在,方向转角;?Man为机枪的总质量; (i)为采用某种材料的机枪零,部件上的最大应 力;(i).为该种材料的疲劳强度极限. 2.1.2(子系统1)枪管设计优化模型 作为基本部件,枪管的强度和寿命是武器重要 指标,同时为了轻量化,要控制枪管的质量Mb,所 以在武器设计时既要满足枪管强度,寿命要求,又要 考虑热应力的影响,给予一定的热容积来提高寿命. 这里采用机枪的寿命预测数字模型见(7)式,它是将 一 次射击循环后的枪管膛面残留温度为主导参数, 以大量试验数据为基础,经过统计分析后建立的半 经验公式[,确定膛面残留温度T,射弹数,初速 下降率?u的函数关系,膛面残留温度的分析用有 限元热应力耦合分析方法.在保证初速u> 820m/s,枪管长度不变前提下,以膛面残留温度T, 枪管线膛外径尺(i)为变量见图5,以初速下降5% 的射弹数最大建立优化模型如下: Rl..,,,.,77777777 图5枪管示意图 Fig.5Sketchmapofgunbarrel min:Mb(T(,Av),R(i)).(6) s.t.:max<72kg/mm2; uo>820ITI/s; 丁?586?; 6.35nlln<R()<9nlln,=1,2,3,4. 式中(=3000rds,?u=5%)?,T,关系为 22 Av(T,)=??A(丁)Q(),(7) i:0J=0 得到T=586?.式中:A,为系数;P(T)为与射弹 数相关的正交多项式;Q()为与膛面残留温度相 关的正交多项式. 2.1.3(子系统2)枪架设计优化模型 枪架参数为:前,后架杆长度L卜,驻铲质量 m,前,后架杆的壁厚t1,t2,变截面长宽和C1= +h和变截面长宽比C2=w/h(是截面宽,h为 截面长),为了简化假定前后架杆等长,等截面,等壁 厚,简化后设计变量取架杆几何尺寸L,C1,C2. min~M.(8) S.t.:<45kg/I; rax<20kg/mm. 2.1.4(子系统3)自动机设计优化模型 自动机的设计既要提高自动机的工作频率-厂a (理论射频),又要减小后坐和复进对枪身的冲击,还 要保证一定的复进能量,以便可靠完成供弹和闭锁 动作,约束变量取后坐到位后开始复进的速度. 针对系统的优化目标是响应,取后坐到位碰撞力为 优化目标,设计变量取自动机质量M,复进簧预紧 力F,刚度K. rain:F.(9) S.t.:M?3.86kg; 4.5ITI/s<Or: 450rds/min<fs<700rds/min 2.1.5(子系统4)机匣设计优化模型 机匣的作用是引导自动机运动,把机枪各部件 结合在一起,属基本构件,其结构尺寸如图6所示, 在加上机匣壁厚,其中L2的长度影响自动机行程 变化(242ITlIn<L2,为了简化不选为变量).这里选 ,L1,H1,H2为设计变量,约束条件为机匣尾部强 度校核.机匣材料LC4,枪尾材料为50AZ. 图6机匣示意图 Fig.6Sketchmapofreceiver rain:M.(10) S.t.:204ITlIn<L1; 8l’nlTl<<13mm; 45ITlIn<H1; 104ITlIn<H2; <46.75kg/mm2; r<20.63kg/ml’n2. 第2期一种枪械总体动态优化设计的新方法153 2.2优化计算结果 基于上述各个子系统建立一个两级多学科优化 (MD0)模型进行计算,其计算结果与单个系统优化 (SDO)模型的计算结果比较如下: 表l系统层的单,多学科计算结果比较 Tab.1Comparisonofcalculatedresults betweenSIX)andMDOinsystemlevel 表2子系统1(枪管)的单,多学科 优化计算结果比较 Tab.2Comparisonofcalculatedresults betweenSIX)andMDOingunbarrelsubsystem 表3子系统2(枪架)的单,多学科计算结果比较 Tab.3Comparisonofcalculatedresults betweenSIX)andMIX)inmountsubsystem 表4子系统3(自动机)的单,多学科计算结果比较 Tab.4Comparisonofcalculatedresultsbetween SIX)andMIX)inautomationmechanismsubsystem 表5子系统4(机匣)的单,多学科计算结果比较 Tab.5Comparisonofcalculatedresultsbetween SIX)andMIX3inreceiversubsystem 系统级优化的算法采用基于两水平的数值迭代 方法,枪管采用Ansys的一阶优化方法,可以得到更 精确的优化分析;而枪架和机匣子系统采用零阶优 化方法就可以满足设计需要.从上述计算结果看, 经过多学科优化的计算结果使系统的总体目标d 值减小,枪管的系统优化质量比单独优化的值小,因 为单独优化是在保证枪管寿命下的最轻量化为目标 的,没有考虑其质量分布对枪口动态响应的影响;但 枪架的质量和后坐到位碰撞力比单独优化的值 大,也正是系统级目标函数的约束结果;可见为了保 证总体目标,经过系统的协调和耦合因素的制约作 用,使整个系统的目标达到最优. 3结束语 在应用中通常非线性约束优化问题的极值存在 条件是满足(Kuhn—Tucker)条件,但实际工程问题对 于凸性的问题很难判断,采用数值计算迭代的方法, 通过适当的调整精度和初值一般可以满足工程设计 需要,本文提供算例结果是收敛的,说明在枪械设计 中使用MDO可行,在系统优化中可以使复杂系统 和子系统,通过利用系统中相互作用的协同机制来 完成设计任务,其设计结果综合考虑了各学科的限 制因素,从而使得设计结果整体上更优.须注意的 是系统的优化应在子系统优化稳定的基础上,这样 才能保证整体优化的鲁棒性. 参考文献 [1]卓蕙如机枪枪管寿命预测技术 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集[c].北京:中国兵器工 业第208研究所,1996:38—42 [2](12.7mm重机枪系统设计与实践》编委会.127mm重机枪系 统设计与实践[M].北京:国防工业出版社,1999:27—75. 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Finally,thepapergaveoutatypicalexamplewhichistwo-levelsoptimizationmodelforfoursubsystemof largecalibermachineguns.ItisprovedbytheexamplethattheMDOmethodis feasibleinthedesignof smallarn3.s. Keywords:mechanics;smallarms;multidisciplinarydesignoptimizationm ethod;dynamicsoptimisation; large.calibermachinegun p); ? 简讯? 《兵工》(英文版)征订通知 ppp 经科技部商新闻出版总署批准同意,《兵工》(英文版)已于2005年3月正式创刊,正式刊名为 (JournalofChinaOrdnance}.《兵工》(英文版)是中国兵工学会主办的综合性学术刊物,主要刊登兵器 和其他国防领域的创新思想,基础理论,重大实验技术,应用研究和工程设计成果及学术活动简讯.适合从 事科研工作的技术人员,高等院校的教师和研究生阅读参考. 该刊由中国科学技术协会主管,中国兵工学会主办,刊号为CN11—5282/rJ,大16开本,半年刊,面向 国内外公开发行,国内邮发代号为80—384,定价30元/册(含邮资);国外邮发代号为SA1917,定价30美元 栅(含邮资).汇款请寄:北京市2431信箱《兵工》编辑部,邮政编码 100089.编辑部电话:(010) 68962718;传真:(0l0)68963025,电子信箱:acta@COS.org.cn. (本刊编辑部)