3D打印钛合金炮口制退器的结构优化设计

作     者：葛苗冉 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁军堂

授予年度：2020年

学科分类：082601[工学-武器系统与运用工程] 08[工学] 082603[工学-火炮、自动武器与弹药工程] 0826[工学-兵器科学与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：3D打印钛合金 炮口制退器 多目标优化 遗传算法 拓扑优化 

摘      要：炮口制退器作为重要的膛口装置,主要起到减小火炮后坐的作用,但是其造成的冲击波会损害直升机蒙皮,且由于炮口制退器的自重带来了射击失准等危害。针对某30mm口径航炮炮口制退器的高效率、低冲击波危害、高强度和轻量化等多目标要求,开展了3D打印钛合金炮口制退器的结构优化设计,使其满足多性能目标要求,完成了3D打印钛合金炮口制退器结构优化设计与制备。基于Fluent流场仿真方法采用正交试验研究炮口制退器的多个结构参数对炮口制退器制退效率和冲击波危害程度的影响。研究结果表明随着显著因素内腔扩张角度的增加,制退效率急剧下降,但冲击波危害相对下降幅度很小。当显著因素侧孔形状取圆润三角形时,制退效率显著高于腰型侧孔及圆形侧孔,但冲击波危害也有一定程度的增大。应用NSGA-Ⅱ遗传算法对正交试验得出的较优炮口制退器进行多目标结构参数优化。优化结果为一组非劣Pareto解集,即较优的腔室直径收缩比方案。根据本文设计要求选取腔室直径收缩比为1.51的炮口制退器结构方案,使炮口制退器结构满足高效率、低冲击波危害、高强度和轻量化要求,并验证了整个数值模拟-多项式拟合近似模型-NSGA-Ⅱ遗传算法多目标优化的系统相对准确度高达95.42%。最后,对遗传算法优化后的炮口制退器进一步实施拓扑结构优化。优化结果为将炮口制退器沿外表面侧孔周向方向切除半径为6mm最大深度为2.22mm的凹槽,并将炮口制退器弹丸出口处端面切平。通过有限元分析验证优化结构的性能,得到了优化结构的制退效率提升了4.82%,质量减小了12.44%,同时冲击波危害增加,结构动刚度降低。由于3D打印钛合金炮口制退器的减重目标更为重要,其可以减小对射击精度的影响,而目前的直升机材料优异,冲击波危害的影响相对较小,该拓扑优化结构实现了高效率和轻量化。应用了3D打印技术成型炮口制退器拓扑优化结构,得到的3D打印钛合金炮口制退器重703.70g,致密度达到98.7%。