許 兵

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)—試制—改進(jìn)等多次的循環(huán)，許多零件均為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其過(guò)程就是人工試湊與定性比較的過(guò)程。這種過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高。針對(duì)這一問(wèn)題，不少學(xué)者提出了多種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，但這些方法普遍存在著求解復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)困難等缺陷。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于有限元分析的優(yōu)化軟件為設(shè)計(jì)人員提供了良好的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和工具。利用UG NX7.0中的有限元分析模塊及優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)某型雷達(dá)的方位殼體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)成功率。

1 原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析

方位殼體是一個(gè)整體鑄造零件，使用的材料為ZL101A。殼體上方安裝方位軸承后與俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。下部中心位置安裝匯流環(huán)，旁邊安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)。法蘭面為安裝面，承受整個(gè)天線座的質(zhì)量。在整機(jī)顛震試驗(yàn)中，天線座所要承受的沖擊加速度為7g，所以在后面的靜態(tài)分析中都按照這一條件進(jìn)行。

在UG中建立三維模型后進(jìn)行靜態(tài)有限元分析，在法蘭安裝面上施加固定約束，在軸承、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及匯流環(huán)安裝面上，按7g的加速度條件施加相應(yīng)的載荷。靜態(tài)分析結(jié)果如圖1所示。從應(yīng)力云圖中可以看到，最大應(yīng)力為11MPa，出現(xiàn)在內(nèi)部靠近電機(jī)安裝位置的加強(qiáng)筋的內(nèi)側(cè)端點(diǎn)，其余位置平均應(yīng)力不超過(guò)6MPa，最大位移為0.13mm。ZL101A的最大許用應(yīng)力σb=235MPa。由此可見(jiàn)，該殼體安全余量很大，有較大的改進(jìn)余地。

圖1 改進(jìn)前方位殼體應(yīng)力云圖和位移云圖

2 優(yōu)化改進(jìn)

優(yōu)化方案包括兩個(gè)方面:(1)若構(gòu)件本身的形狀允許改變，可以選擇構(gòu)件的最佳形狀;(2)若幾何形狀確定，可通過(guò)最優(yōu)化尋找合適的結(jié)構(gòu)尺寸［1］。本次優(yōu)化改進(jìn)的目的是減輕該零件的質(zhì)量，使其強(qiáng)度、剛度以及質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程分為2部分:結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。

2.1 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化

結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化是通過(guò)改變零件的外形特征和尺寸以達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。對(duì)于該零件，在結(jié)構(gòu)形狀上有一定的限制:一是最大外徑及安裝孔位已確定;二是內(nèi)部安裝的主要零部件，如方位軸承、傳動(dòng)齒輪以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的尺寸也已經(jīng)確定。因此在結(jié)構(gòu)形狀上只能進(jìn)行局部調(diào)整。

結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化主要是對(duì)法蘭端面以下的圓柱面進(jìn)行。其方法是將原來(lái)的圓形截面外形向內(nèi)收縮，變成兩個(gè)圓相交后的形狀，其中小圓直徑滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝要求，大圓直徑滿足主傳動(dòng)齒輪回轉(zhuǎn)空間的要求。為使鑄件結(jié)構(gòu)保證一定的對(duì)稱性，在安裝電機(jī)部分的對(duì)面也設(shè)置相同的圓弧。優(yōu)化示意圖如圖2所示 。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在壁厚相同的情況下，這部分的質(zhì)量可以減少15%。

2.2 尺寸優(yōu)化

在確定結(jié)構(gòu)外形后，就可以進(jìn)行尺寸優(yōu)化。對(duì)于尺寸優(yōu)化，可歸納為在滿足一定約束條件下，選取設(shè)計(jì)變量，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大(或最小)。在本設(shè)計(jì)中主要是鑄件壁厚的尺寸優(yōu)化。

圖2 結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化示意圖

根據(jù)外形優(yōu)化的結(jié)果重新修改零件模型。重新劃分網(wǎng)格后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其參數(shù)設(shè)置如下。

材料屬性:彈性模量E=700GPa，泊松比μ=0.3;密度 ρ=2.8 ×103kg/m3。

設(shè)計(jì)變量:選擇法蘭端面上部圓錐臺(tái)體部分的壁厚和下部三圓相交形狀部分的壁厚作為設(shè)計(jì)變量。

約束條件:由原設(shè)計(jì)靜態(tài)分析結(jié)果，選取位移最大的點(diǎn)的位移量作為約束，以其位移變形最大值為上限作為方案的約束條件。其位置在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝面與中心匯流環(huán)安裝面的交匯點(diǎn)，最大位移值限定為0.2mm。

目標(biāo)函數(shù):由于優(yōu)化的目的是在保證一定的剛度和強(qiáng)度的情況下進(jìn)行減重，因此將質(zhì)量最小定為目標(biāo)函數(shù)。

根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果，圓錐臺(tái)體部分的壁厚為9.4mm，圓整為10mm。下部三圓相交形狀部分壁厚為7.6mm，圓整為8mm。優(yōu)化前后該零件外形如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后外形對(duì)比

3 優(yōu)化后靜態(tài)分析

按照改進(jìn)前的載荷條件進(jìn)行計(jì)算，從應(yīng)力云圖中可以看到，改進(jìn)后最大應(yīng)力為29.1MPa，出現(xiàn)在外側(cè)加強(qiáng)筋的根部，最大位移為0.2mm。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后方位殼體應(yīng)力云圖和位移云圖

4 優(yōu)化后的模態(tài)分析

在靜態(tài)分析結(jié)果滿足使用條件后，對(duì)該殼體進(jìn)行了模態(tài)分析，看方位殼體的固有頻率是否會(huì)與輸入頻率或外界強(qiáng)迫作用的頻率一致。表1列出了方位殼體前5階的固有頻率。

表1 模態(tài)數(shù)與固有頻率

由模態(tài)分析結(jié)果可知，該零件最低階諧振頻率為302.6Hz，遠(yuǎn)高于生產(chǎn)調(diào)試及正常工作中天線座自身產(chǎn)生的頻率以及外界輸入振動(dòng)頻率，其固有頻率不會(huì)對(duì)天線座的正常工作造成影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，方位殼體的質(zhì)量從113kg減少到62kg。經(jīng)過(guò)幾個(gè)批次的生產(chǎn)，證明該零件設(shè)計(jì)合理、精度可控。天線座完成調(diào)試后，順利完成環(huán)境試驗(yàn)中的振動(dòng)與顛震試驗(yàn)，驗(yàn)證了靜力分析與動(dòng)力分析的正確性。

［1］ 曾志華，虞偉建.ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)，2009(7):33－37.