空投吊艙結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

程前前，趙 靜，武雙雙

(1.蚌埠學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；2.宏光空降裝備有限公司 設(shè)計(jì)部，南京 210022)

0 引言

無(wú)人機(jī)空投吊艙，可以借助于降落傘擺脫地面環(huán)境復(fù)雜、天氣惡劣的限制，為地面提供補(bǔ)給。

利用空投技術(shù)進(jìn)行空降作戰(zhàn)曾是一種主要的奇襲戰(zhàn)術(shù)[1]。在瞬息萬(wàn)變的作戰(zhàn)環(huán)境下，及時(shí)高效地把保障裝備和物資投送到指定區(qū)域，可以滿足特種作戰(zhàn)的需要。隨著社會(huì)的發(fā)展，空投吊艙對(duì)地震、海嘯和火山爆發(fā)的災(zāi)害地區(qū)，以及高原、山丘等特殊地形的地區(qū)進(jìn)行物資補(bǔ)給，具有良好的應(yīng)用前景。

為滿足對(duì)特殊地形受災(zāi)群眾物資補(bǔ)給的需要，本文設(shè)計(jì)了一種空投吊艙，在其演示實(shí)驗(yàn)之前，首先對(duì)其核心部件(貨艙)建立多約束優(yōu)化模型，利用評(píng)價(jià)函數(shù)使多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題求解；然后將貨艙的最小質(zhì)量[2-5]作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，最大變形量作為約束條件，對(duì)貨艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了合適的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，有效減輕了貨艙整體質(zhì)量；最后將優(yōu)化后的參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際的加工中。

1 吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)所需投送物資，設(shè)計(jì)了一種吊艙，吊艙結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。吊艙主要由頭錐、貨艙、尾艙、吊耳組件、平尾和垂尾組成。吊艙機(jī)身長(zhǎng)2.4 m、寬0.5 m，平尾采用NACA0015翼型[6]，垂尾采用NACA0012翼型，垂尾弦長(zhǎng)0.36 m，平尾展長(zhǎng)1.5 m，垂尾高度和吊艙機(jī)身高度一致，不會(huì)干涉無(wú)人機(jī)的機(jī)翼，吊耳組件和無(wú)人機(jī)掛點(diǎn)相匹配。吊艙前段呈尖頭形，稱為頭錐，內(nèi)部填充緩沖材料，用于承受吊艙著陸時(shí)的沖擊過(guò)載，從而保護(hù)貨艙內(nèi)的物資；吊艙中段為貨艙，用于裝載投送的物資；尾艙位于整個(gè)吊艙后部，用于放置降落傘系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

2 貨艙靜力學(xué)仿真分析

2.1 貨艙模型的建立

在空投過(guò)程中，貨艙承擔(dān)著儲(chǔ)存投送物資的作用，上表面連接著吊耳組件，是吊艙主要的受載部分，因此貨艙對(duì)吊艙性能有著重要影響。文中貨艙材料為玻璃鋼[7]，玻璃鋼的材料屬性如表1所示。

表1 玻璃鋼的材料屬性

用Solidworks軟件對(duì)貨艙進(jìn)行參數(shù)化建模，為了提升分析效率，對(duì)貨艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略不影響貨艙強(qiáng)度的單元[8](如倒角、圓角等)，貨艙模型如圖2所示。

2.2 邊界條件

利用ANSYS Workbench軟件對(duì)貨艙進(jìn)行靜力分析，假定無(wú)人機(jī)在空中是勻速運(yùn)行，那么吊艙也處于一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)，上下方向不移動(dòng)，因此設(shè)定貨艙下端面固定，對(duì)貨艙下端面施加固定約束。由于吊艙加上運(yùn)輸?shù)奈镔Y整體設(shè)計(jì)質(zhì)量為200 kg，按照10g(g為重力加速度)的最大安全過(guò)載來(lái)計(jì)算受力情況，則貨艙上端面與吊耳組件相連的地方承受最大垂直向上的拉力為20 000 N，貨艙的約束邊界條件如圖3所示。

2.3 受力變形仿真

對(duì)貨艙模型進(jìn)行有限元求解，貨艙總變形云圖如圖4所示，在受載情況下，變形大的地方主要集中在貨艙的上表面，即與吊耳組件相連接的位置，由于該處是主要的受載位置，因此變形量最大，其值為24.39 mm。

3 貨艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 多約束拓?fù)鋬?yōu)化理論

對(duì)貨艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將模型最小質(zhì)量Mmin作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，模型最大變形量δmax作為狀態(tài)變量,即約束條件，艙壁厚度和支撐桿寬度作為設(shè)計(jì)變量。把貨艙模型的優(yōu)化轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)函數(shù)求解，建立的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

表2 設(shè)計(jì)變量Xi的變化區(qū)間

3.2 優(yōu)化分析

在“Response surface Optimization”中設(shè)置上述優(yōu)化變量和優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行仿真優(yōu)化，曲面響應(yīng)云圖如圖6所示。

根據(jù)圖6(a)設(shè)計(jì)變量與質(zhì)量關(guān)系云圖可知，隨著艙壁厚度的增加，貨艙質(zhì)量線性增加；隨著支撐桿寬度的增加，貨艙質(zhì)量也線性增加。根據(jù)圖6(b)設(shè)計(jì)變量與總變形量關(guān)系云圖可知，在艙壁厚度處于1～3 mm增長(zhǎng)空間，隨著艙壁厚度的增大，貨艙的最大變形量不斷增大，在艙壁厚度處于3～5 mm增長(zhǎng)空間，隨著艙壁厚度的增大，貨艙的最大變形量不斷減小；隨著支撐桿寬度的增加，貨艙的最大變形量先增加后減小，呈二次曲線關(guān)系。

靈敏度分析[10-11]能夠很好地反映各設(shè)計(jì)尺寸對(duì)研究目標(biāo)的影響程度，從而尋找出對(duì)于研究目標(biāo)影響較大的尺寸，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)修正優(yōu)化。為進(jìn)一步研究艙壁厚度和支撐桿寬度對(duì)貨艙結(jié)構(gòu)性能的影響程度，繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行靈敏度分析，靈敏度響應(yīng)圖如圖7所示。

從圖7中可以看出，艙壁厚度和支撐桿寬度數(shù)值為正，并且艙壁厚度數(shù)值的絕對(duì)值大于支撐桿寬度數(shù)值的絕對(duì)值，所以艙壁厚度對(duì)貨艙質(zhì)量影響更大，而且隨著艙壁厚度的增加，貨艙質(zhì)量增加。在貨艙總變形量的靈敏圖中，艙壁厚度的絕對(duì)值大于支撐桿寬度，因此艙壁厚度對(duì)貨艙總變形量影響更大。

貨艙受載情況下的總變形量比較小，因此將減重作為優(yōu)化重點(diǎn)。在保證靜態(tài)剛度的前提下，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。根據(jù)前面的曲面響應(yīng)分析和靈敏度分析可知，艙壁厚度對(duì)貨艙質(zhì)量影響最大，艙壁厚度對(duì)總變形量影響也最大，所以把艙壁厚度作為優(yōu)化的重點(diǎn)?；诤Y選的優(yōu)化方法，在響應(yīng)面中取15組設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化[12]，得到三組最優(yōu)的樣本，樣本輸出圖如圖8所示。

對(duì)圖8中三個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)尺寸進(jìn)行圓整，圓整后的尺寸參數(shù)如表3所示。

表3 圓整后的尺寸參數(shù)

根據(jù)表3中的三個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，對(duì)原來(lái)貨艙的三維模型進(jìn)行修改，并分別重新進(jìn)行靜力學(xué)分析[13]。優(yōu)化后三個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)貨艙總變形圖如圖9所示。

由圖9可知，Point 1貨艙的最大變形量是44.659 mm，Point 2貨艙的最大變形量是34.525 mm，Point 3貨艙的最大變形量是26.988 mm，三個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的變形情況類似，最大變形都位于貨艙上表面受力處。因?yàn)樨浥撘ＷC運(yùn)輸物資的安全，所以減重的前提是需要保證貨艙的靜態(tài)剛度。優(yōu)化前的貨艙質(zhì)量為23.239 kg，根據(jù)圖8可知三個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的貨艙質(zhì)量相比優(yōu)化前都有所降低，最終選用Point 3作為此次的優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)，貨艙最終的艙壁厚度為2 mm，支撐桿寬度為23 mm。由圖9(c)可知優(yōu)化后貨艙的變形情況和優(yōu)化前的變形情況相似，最大變形量為26.988 mm，變形量雖然增加，但是增加量較小，貨艙變形量仍小于30 mm的最大允許變形量，滿足使用要求。

優(yōu)化前后貨艙的性能對(duì)比如表4所示，優(yōu)化后的貨艙較優(yōu)化前最大變形量增加了10.6 %，其整體質(zhì)量較優(yōu)化前減少了13.8 %，達(dá)到了減重的目的。

表4 優(yōu)化前后貨艙性能對(duì)比

根據(jù)上述分析的結(jié)果，研制貨艙并裝配到吊艙中，通過(guò)實(shí)踐，優(yōu)化后的吊艙得到了良好的應(yīng)用，滿足了物資投送的需要，吊艙實(shí)物圖如圖 10所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了空投吊艙基本結(jié)構(gòu)，并建立了貨艙結(jié)構(gòu)的有限元模型，以貨艙的質(zhì)量為優(yōu)化指標(biāo)，艙壁厚度和支撐桿寬度為設(shè)計(jì)變量，在ANSYS軟件中進(jìn)行了仿真分析，并通過(guò)靈敏度分析得出艙壁厚度對(duì)貨艙質(zhì)量影響更大。通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)貨艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校驗(yàn)，得到滿足要求的空投物資吊艙，通過(guò)實(shí)踐，優(yōu)化后的吊艙滿足了物資投送的需要。