未来信息化战争对迫击炮射程、射击精度、机动性等核心指标提出了很高要求,提高初速是增加射程的有效途径之一,但需要增加发射载荷;轻量化有利于提高迫击炮的机动性,例如采用复合材料座钣,可以有效地降低迫击炮全炮重量。这些都使迫击炮的受力和运动进一步加剧,加之新一代迫击炮需要适应山地丛林、高寒高原、岛礁、城市等多种作战环境,迫击炮座钣与土壤高度耦合的非线性动力学规律更加复杂,使得迫击炮机动性与威力之间的矛盾愈加突出,现有的设计理论和方法已难以破解这种矛盾,迫切需要开展轻量化迫击炮非线性动力学规律及总体性能优化研究。本文以此为研究背景,针对复合材料座钣在迫击炮上使用的可行性,重点开展连续发射载荷作用下土壤逐渐坐实的非线性本构关系、迫击炮非线性动力学、迫击炮座钣轻量化设计、复合材料座钣多目标优化、特种加工工艺和射击试验等研究,主要研究内容包括:（1）提出了一种迫击炮发射载荷作用下土壤本构关系的模拟试验与测试方法,揭示了连续发射载荷作用下土壤逐渐坐实过程的非线性本构关系。对某迫击炮全装药和减变装药发射条件下的燃气冲击载荷变化规律进行了理论分析和数值模拟,获得了发射载荷的典型特征和关键参数,研究了落锤高度与不同装药号发射载荷的对应关系;提出了一种电磁铁控制落锤冲击座钣和土壤的模拟试验方案,设计了控制落锤碰撞位置的球形传力杆和保证试验安全的防护架,组建了一套模拟迫击炮发射载荷反复作用下座钣和土壤耦合系统动力学响应参数测试试验装置,并开展了相关试验测试研究。基于试验数据,采用分段拟合的方法建立了土壤在发射过程中从松散到坐实所经历不同阶段的本构关系函数。利用VUMAT子程序接口在ABAQUS软件中开发了发射载荷作用下土壤本构关系模型,为座钣和土壤耦合动力学建模仿真及工程设计提供重要的理论基础。（2）建立了一种考虑座钣与土壤耦合、座钣筋板结构及焊缝连接、发射载荷传递的迫击炮非线性动力学有限元模型。根据发射载荷沿迫击炮主要零部件传递路径,建立了弹丸、身管、炮尾、炮箍、缓冲机、架腿、座钣、土壤的网格模型,通过引入ReissnerMindlin板理论的8节点等参板单元建立了座钣曲面过渡区的网格模型,利用实体单元解决筋板的焊缝连接建模难题,利用Rigid Body、Spring、Contact、Tie等模拟零部件之间的连接关系,研究了网格疏密度对座钣动力学计算精度和计算效率的影响程度。利用子空间法对迫击炮座钣进行了模态计算分析,采用激励法进行了座钣模态试验,计算和测试的主要振型和固有频率一致性较好,验证了有限元模型的正确性。将试验测试的土壤本构关系融入迫击炮发射动力学有限元模型,将数值计算结果与包含传统土壤D-P本构关系的迫击炮有限元计算结果、试验测试结果进行了对比分析,结果表明本文通过试验获得的土壤本构关系及建立的迫击炮非线性有限元动力学模型比传统的计算模型更能准确地表征座钣发射动力学响应。（3）提出了一种骨架采用钛合金材料、板件采用复合材料的座钣轻量化设计方案和结构优化设计方法。采用最优拉丁超立方设计方法对座钣主要部件的设计变量进行试验设计,利用多项式线性回归模型对座钣主要结构尺寸进行参数灵敏度分析,找到了贡献度较大的座钣结构参数。建立了考虑质量约束和平衡方程约束的柔性最小化连续结构拓扑优化数学模型,基于变密度法对座钣主应力响应影响较小的区域进行拓扑优化,综合运用点云数据处理和特征提取等技术对拓扑优化结果进行重构,通过增加中间支撑杆件,完成了复合材料座钣的钛合金骨架结构设计。选择基体材料为环氧树脂5228的碳纤维T700作为座钣的复合材料,按照纤维连续性准则开展了复合材料铺层设计研究,确定了铺层层数、铺层厚度、铺层顺序等工艺参数。为解决复合材料座钣铺层角度优化中离散变量的寻优问题,利用遗传算法的整数编码策略搜索最优铺层顺序。（4）提出了一种迫击炮复合材料座钣发射性能多目标多工况优化方法。为克服复合材料座钣及其非线性有限元耦合模型网格数量多、仿真耗时长的技术难题,建立了5层BP神经网络代理模型代替有限元仿真模型;通过目标聚合方法,解决了复合材料座钣复杂系统中工况不同、目标函数多、求解困难的高维多目标优化问题,使复合材料座钣在典型土壤阵地上发射的稳定性和强度等性能得到显著提高。（5）根据复合材料座钣的结构特点,提出了一种钛合金骨架与复合材料板件结合的混合连接工艺,并进行了射击试验研究。对钛合金骨架与复合材料板件结合工艺进行了理论分析与数值模拟,提出了一种“胶接+共固化”混合连接工艺方案,通过实验研究了胶层厚度对胶接接头强度的影响以及一种共固化处理工艺的可行性。通过复合材料座钣模态试验和安装复合材料座钣的迫击炮实弹射击试验综合评价复合材料座钣结构的刚强度和射击稳定性。研究结果表明,采用本文所提方法设计的复合材料座钣能够满足主要性能要求,其重量比钛合金座钣下降30%以上,对迫击炮轻量化设计具有重要的指导价值。