楊 鼎

（江西新余國科科技股份有限公司，新余 338004）

近年來，高溫干旱天氣頻發(fā)，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展。為應(yīng)對氣象反常變化，人們對人工影響氣象裝備提出了新要求。人工增雨的基本原理是在云層播撒催化劑，促使小水珠凝結(jié)形成降水。人工增雨是人工影響氣象的一種方式，能夠為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供必要的環(huán)境。

增雨防雹火箭彈是通過發(fā)射架對目標(biāo)云層進(jìn)行定向，然后將降雨催化劑播撒至云層，實現(xiàn)人工降雨。發(fā)射架大部分使用金屬材料，重量大，影響運輸和作業(yè)。針對這一問題，可以對發(fā)射架部分零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高材料利用率，減輕發(fā)射架質(zhì)量[1-2]。

1 發(fā)射架結(jié)構(gòu)

發(fā)射架發(fā)射火箭彈之前，需要通過調(diào)整方位角和俯仰角進(jìn)行定向。通用式增雨防雹發(fā)射架包括定向器、高低機、方位機、底座以及殼體，如圖1 所示。其中：定向器用于火箭彈定向、發(fā)射；高低機用于調(diào)整俯仰角；方位機用于調(diào)整方位角；底座用于固定發(fā)射架；殼體連接高低機和方位機，內(nèi)置電器系統(tǒng)，是重要的結(jié)構(gòu)件。底板位于殼體下方，通過螺栓與方位機連接。

圖1 通用式增雨防雹發(fā)射架

2 工況載荷簡化

2.1 工況分析

發(fā)射架運行包括方位轉(zhuǎn)動和俯仰轉(zhuǎn)動。方位轉(zhuǎn)動在低速下進(jìn)行，因此可以忽略，主要將俯仰轉(zhuǎn)動作為分析的工況。高低機中裝有雙扭簧，輔助俯仰轉(zhuǎn)動，將工況分為上仰和下俯。

殼體上方承接高低機和定向器。高低機位于殼體正上方，簡化為載荷施加于殼體；定向器位于殼體之外，簡化為轉(zhuǎn)矩施加于殼體。在殼體下方，底板與方位機連接，支撐電氣系統(tǒng)。

2.2 轉(zhuǎn)矩計算

定向器對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)矩方程為

式中：F為定向器重力；S為定向器重心與回轉(zhuǎn)中心的距離；θ為定向器重心連至回轉(zhuǎn)中心與水平面的夾角；L為重力力臂，隨θ變化；α為定向器升角，α∈[0°,90°]，當(dāng)α為0°時，有固定角52.225°。

高低機內(nèi)扭簧轉(zhuǎn)矩方程為

式中：φ為扭簧轉(zhuǎn)角，φ∈[0°,39.14°]；E為扭簧材料的彈性模量；d為扭簧線徑；n為扭簧有效圈數(shù)的1/2；D為中徑。

發(fā)射架上仰工況和下俯工況皆是將扭簧轉(zhuǎn)矩翻倍疊加至定向器轉(zhuǎn)矩。經(jīng)計算，上仰工況轉(zhuǎn)矩在絕對值上較大，故選此工況進(jìn)行仿真[3]。

3 殼體底板優(yōu)化設(shè)計過程

3.1 有限元分析

使用ABAQUS 對殼體進(jìn)行靜力學(xué)分析，施加上仰工況載荷，得到結(jié)果如圖2 所示。結(jié)果顯示，底板在定向器轉(zhuǎn)動方向有明顯的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力。底板具有足夠的優(yōu)化空間，選擇拓?fù)鋬?yōu)化的方式去除材料，可保證足夠的剛度和強度。

圖2 殼體有限元應(yīng)力結(jié)果

在優(yōu)化設(shè)計中，要考慮機械加工工藝。底板使用激光切割機加工，激光切割機切割小尺寸材料困難，而當(dāng)尺寸增大時，質(zhì)量、速度都會提高，因此應(yīng)盡可能增大切除材料的尺寸。

3.2 優(yōu)化設(shè)計

3.2.1 拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)置

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置包括目標(biāo)函數(shù)、約束和幾何約束，通過約束限定范圍求解目標(biāo)函數(shù)[4-5]。應(yīng)變能與剛度相反，目標(biāo)函數(shù)選為應(yīng)變能最小，即剛度最大。分別對底板的體積和最大應(yīng)力進(jìn)行約束，將響應(yīng)限制在要求的范圍內(nèi)，以保證零件減重和安全系數(shù)。幾何約束包括凍結(jié)和對稱。凍結(jié)底板某些區(qū)域，引導(dǎo)拓?fù)鋬?yōu)化去除材料的尺寸增大。對稱能提高實際生產(chǎn)過程中的容錯性。

3.2.2 優(yōu)化設(shè)計流程

在ABAQUS 中對上仰工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)，檢驗拓?fù)鋬?yōu)化是否成功、拓?fù)淙コ牧铣叽缡欠襁_(dá)到極限。若未達(dá)到，應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整拓?fù)鋮?shù)和模型，直至能夠達(dá)到要求，然后結(jié)束拓?fù)鋬?yōu)化。調(diào)整拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)是對不合理的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使優(yōu)化結(jié)果達(dá)到減重、剛度、加工、安全系數(shù)多方面綜合性能最優(yōu)。底板優(yōu)化設(shè)計流程如圖3 所示。

圖3 底板優(yōu)化設(shè)計流程圖

3.2.3 優(yōu)化過程分析

如圖4（a）所示，在優(yōu)化過程中，底板約束40%體積得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果①，然后對其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，之后優(yōu)化失敗。拓?fù)鋬?yōu)化中的參數(shù)調(diào)整需要體積保持一定的盈余。底板約束50%的體積能夠正常優(yōu)化，可得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果②，如圖4（b）所示。在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果②的基礎(chǔ)上增加對稱約束，得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果③，保證了優(yōu)化結(jié)果左右對稱，如圖4（c）所示。由于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果③中去除材料的尺寸略小，調(diào)整凍結(jié)區(qū)域，引導(dǎo)拓?fù)浣Y(jié)果更加規(guī)整、尺寸更大，可觀察拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果④、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果⑤和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果⑥，分別如圖4（d）、圖4（e）和圖4（f）所示。

圖4 優(yōu)化設(shè)計中的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.2.4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對比

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如表1 所示。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果②和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果①比較，體積增大10%，應(yīng)力、位移、應(yīng)變能顯著減小，底板的強度和剛度有明顯提升。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果②到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果③的過程中，增加了對稱約束，略微減小拓?fù)淇讛?shù)量，應(yīng)力、位移、應(yīng)變能變化不大。比較拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果③、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果④、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果⑤和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果⑥，拓?fù)淇讛?shù)量減少，應(yīng)變能略微增大，應(yīng)力、位移變化不大。優(yōu)化設(shè)計中，通過折損應(yīng)變能，提高了拓?fù)淇椎木奂潭?、?guī)整性，達(dá)到降低加工難度的目的。

表1 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果參數(shù)

3.2.5 優(yōu)化結(jié)果的處理

最終得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果⑥，導(dǎo)出三維模型，使用探測工具確定模型的圖形尺寸，然后切除底板完整模型作為底板優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。

4 結(jié)語

對殼體底板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以拓?fù)鋬?yōu)化為工具，以加工為向?qū)?，調(diào)整拓?fù)鋮?shù)，綜合減重、加工、強度等，獲得綜合性能較強的優(yōu)化零件模型?？蓪⒌装鍍?yōu)化設(shè)計的經(jīng)驗推廣至發(fā)射架其他零件，能夠顯著減輕發(fā)射架的質(zhì)量，提升發(fā)射架的機動性，增強人工影響氣象能力。