轻型火炮后大架结构分析与优化

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· 机械制造 · 邵跃林，等 ·轻型火炮后大架结构分析与优化然后建立固定的节点模拟地面，给两个节点间赋予刚度，用两个节点的相对位移模拟土壤的变形。

建立集 中参数模型的关键在于给出与驻锄面耦合的节点位置，该节点本质上为驻锄的转动中心点，本文通过计算给出这个节点的大致位置。

驻锄变形前后的位置如图 4。点 M(a，b)和 M(e，d)分别为变形前后驻锄上的对应的两点，坐标 0( ，y)为转动中心点。与外加载荷相 比，驻锄质量可以忽略不计 ，其竖直方向下沉量几乎为 0，可以认为由 点到 点其 Y方向坐标的变化完全是 由驻锄转动引起的。由刚体运动学知识可知 ，变形前后驻锄绕转动中心点( ，Y)的转角即为驻锄上任意-条边变形前后的转角 〃立局部坐标系如图4所示。0， ， 位置满足以下关系：cos(arctan )/( -o) (，-6) d-y(瞎：口)y-o (1)sin(arctan )/( ) ( .6) d-y( ≤0)，-。

式(1)可保证驻锄的运动关系，通过数学软件求解可以得到-条满足上式的曲线。经试算可在上述 曲线上找到-点与驻锄面耦合，使后大架最大应力约等于 1.3条计算结果。该点同时满足运动关系和应力关系 ，即为本文需要寻找的转动中心点。

变形前 变形M(a，6)图 4 驻锄变形情况2.3 后大架的参数化模型用 python语言编写有限元前处理程序实现后大架的参数化建模，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。使用 a，b，C三个参数可控制后大架架体形状，d，e两个参数可控制驻锄加强筋的布局 ，如图5所示。

dMachine Building 8 Automation，J"”2013，42(3)：7～10图5 后大架模型主要形状参数后大架不同部分受力情况不同，所儒厚也不同，后大架是由型材焊接而成，板厚参数取整数，形状参数取实数。所有参数及取值范围如表 1所示。

表 1 优化设计参数表2.4 后大架多目标优化的数学模型优化模型以后大架形状和板厚参数为设计变量，材料许用应力为约束条件，后大架质量和最大应力为设计 目标 ，目标函数如下：Objective MaxMisesxW1/SqMassx /5I2S. ： i i ≤Xi≤XiMaxMises<[or ]其中MaxMises为后大架最大应力，Mass为后大架质量，置为设计参数 ，包括后大架形状参数和板厚参数共 1 1个参数，[or ]为材料许用应力，这里取 500 000KPa。

。和 为属于变量的权重因子，体现在本次多目标优化中不同优化 目标的重要性，.s 和 S，：为属于变量的比例因子，作用是统-不同的目标函数值的数量级。

2.5 优化算法改进非支配排序遗传算法(NSGA-I)是基于 Pareto最优概念的多目标遗传算法。多目标优化问题与单目标优化的区别在于不存在唯-的全局最优解，而是存在-系列解 ，其特点为至少存在-个 目标优于其他所有的解，这样的解称之为 Pareto解，这些解 的集合 即为 Pareto最优解集 。

NSGA-II算法中，选择较大的种群数和进化代数更容· 9·· 机械制造 · 邵跃林，等 ·轻型火炮后大架结构分析与优化易获得全局最优解，但是计算时间会随之增加，较大的交叉概率可以获得较快的收敛速率，但过大的交叉概率可能会导致早熟现象。综合考虑各种因素，本次优化的种群规模取 5O，进化代数取 65代 ，交叉概率 0.9。

3 优化结果分析与原方案相比，方案 A后大架最大应力大幅下降了63.6%，后大架质量上升了7.46%；方案 最大应力下降了36，8%，质量下降了 ＆7%；方案 c最大应力下降了 16.8%，质量下降了 11.82%。方案A应力大幅下降是以质量上升为代价的，方案 质量和最大应力均有所下降，方案 c质量下降最多，最大应力接近材料许用应力，可见质量和最大应力是- 组矛盾的值，必须根据实际隋况选择最合适的方案。

通过优化计算得到后大架质量和最大应力的 Pareto最优解集，Paret。前沿面如图6。 4 结语384u娶3230200 000 250 000 300 000350 000400 000450 000 500 000后大架最大应力/MPa图 6 后大架最大应力-质量 Pareto前沿面经多目标优化 ，后大架质量和后大架最大应力均有所下降。从 Pareto前沿面上选择了三个点 A，B，C和原方案进行比较，最大应力和质量如表 2。

表 2 后大架优化方案结果对比首先建立了后大架-土壤有限元模型分析后大架强度 ，在分析结果的基础上 ，使用集中参数模型替代土壤模型建立用于寻优计算的有限元模型，应用多目标遗传算法NSGA-II进行了后大架强度和质量的多 目标的优化 ，得到后大架模型的-组 Pareto最优解集 ，使优化后的后大架质量和最大应力均有不同程度的下降。该组 Pareto最优解集为后大架结构设计提供了参考，同时，本文所使用的方法对薄壁焊接结构的优化设计也有-定的借鉴意义。