彭 超，彭 燦，于坤鵬，程 林，王志海

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 國家級工業(yè)設(shè)計中心， 安徽 合肥 230088； 3. 亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 亳州 236800)

基于拓?fù)鋬?yōu)化的某系留氣球設(shè)備掛架優(yōu)化設(shè)計*

彭 超1，2，彭 燦3，于坤鵬1，2，程 林1，2，王志海1，2

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 國家級工業(yè)設(shè)計中心， 安徽 合肥 230088； 3. 亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 亳州 236800)

文中針對某型系留氣球設(shè)備掛架尺寸大，承載重、自重和剛強(qiáng)度要求嚴(yán)苛等特點，開展了掛架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計工作?；谕?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對設(shè)備掛架的結(jié)構(gòu)形式，特別是主要承力部件的布局進(jìn)行了重新設(shè)計，并對新設(shè)計方案進(jìn)行了有限元分析和靜力加載試驗。結(jié)果顯示，新設(shè)計方案在結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度和重量上都優(yōu)于原設(shè)計方案，且各種指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

系留氣球；設(shè)備掛架；拓?fù)鋬?yōu)化；試驗分析；剛強(qiáng)度

引 言

隨著材料科學(xué)的迅速發(fā)展，浮空器重新煥發(fā)了活力，并且由于其長滯空能力、高性價比、較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和生存能力，逐漸得到人們的青睞，已經(jīng)在預(yù)警探測、信息對抗、應(yīng)急通信、測繪遙感、視頻監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。浮空器通常包括系留氣球和飛艇。

浮空器設(shè)備掛架是浮空器的一個重要部件，其上端連接浮空器囊體，下端連接任務(wù)載荷，承擔(dān)著將任務(wù)載荷傳遞到浮空器囊體的任務(wù)，另外設(shè)備掛架還是各種設(shè)備的安裝平臺，其上面還安裝有各種通信、測繪和電源等設(shè)備，通常設(shè)備掛架的尺寸都比較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜[3]。設(shè)備掛架一方面作為浮空器的關(guān)鍵部件，起著承上啟下的作用，其穩(wěn)定性和安全性直接影響著搭載設(shè)備的工作性能和浮空器的總體安全性；另一方面作為航空設(shè)備，對重量有著苛刻的要求。設(shè)備掛架重量的增加將直接導(dǎo)致浮空器有效載重的減小，這就要求設(shè)備掛架具有重量輕、承載能力大、安全裕度高等特點。因此如何在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，設(shè)計出布局合理、安全性能高、荷載比大的設(shè)備掛架是浮空器設(shè)計過程中需要面對的問題。

為了減小設(shè)備重量，提高設(shè)備掛架的荷重比，一般采取以下2種方法：1)合理選擇結(jié)構(gòu)材料，盡量采用高模量、高強(qiáng)度的鋁合金或者碳纖維復(fù)合材料[4-5]。

這種方法對提高結(jié)構(gòu)荷重比有明顯的作用，但是會增加一定的設(shè)計成本、工藝和制造的復(fù)雜性。2)采用合理的優(yōu)化技術(shù)，使結(jié)構(gòu)在滿足剛強(qiáng)度、基頻和邊界等約束條件下，形成最輕的拓?fù)湫问胶妥顑?yōu)結(jié)構(gòu)布局[6-9]。該方法對設(shè)計成本、工藝和加工復(fù)雜度影響不大，但增加了一定的設(shè)計難度，對設(shè)計師的設(shè)計技能要求更高。在航天航空領(lǐng)域，對結(jié)構(gòu)的重量要求非常嚴(yán)苛，特別是一些大科學(xué)工程對重量的要求都精細(xì)到了以克為單位，因此通常情況下是同時采用2種方法[10-11]。

某型系留氣球設(shè)備掛架的原有設(shè)計方案在重量和剛強(qiáng)度指標(biāo)上超出了設(shè)計要求。本文針對此問題，基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對設(shè)備掛架的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了重新設(shè)計，并且基于有限元分析對優(yōu)化前后2種方案進(jìn)行了仿真對比，最后對優(yōu)化后的設(shè)備掛架開展了剛強(qiáng)度試驗驗證。

1 系留氣球設(shè)備掛架

1.1 系留氣球組成及設(shè)備掛架功能

某型系留氣球裝備的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由氣球囊體、系留塔、系留索、設(shè)備掛架及任務(wù)載荷構(gòu)成[12]。設(shè)備掛架懸置于系留氣球腹部，上端連接系留氣球的囊體，下端連接任務(wù)載荷，承擔(dān)著將任務(wù)載荷和各種設(shè)備的重量分散到系留氣球囊體上的作用。除上述作用外，設(shè)備掛架還是各種設(shè)備的安裝平臺，其內(nèi)部安裝有各種通信、測繪和電源設(shè)備，因此設(shè)備掛架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

圖1 某系留氣球裝備結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.2 設(shè)備掛架設(shè)計輸入和指標(biāo)要求

該型系留氣球設(shè)備掛架的任務(wù)輸入和技術(shù)要求見表1。

表1 設(shè)備掛架的任務(wù)輸入和技術(shù)要求

根據(jù)任務(wù)輸入和指標(biāo)要求，該設(shè)備掛架上端要連接的系留氣球的囊體接口為2 950 mm × 2 100 mm，且內(nèi)部還要預(yù)留197.5 kg設(shè)備的安裝接口，下部承受320 kg的任務(wù)載荷，可以預(yù)見其自身尺寸比較大。然而指標(biāo)又要求其自重必須小于60 kg，并且在滿載2倍過載的情況下材料不能發(fā)生屈服，底部位移不能大于25 mm。由此可見，采用常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法很難達(dá)到指標(biāo)要求。

1.3 原設(shè)計方案

該設(shè)備掛架具有一個前期的設(shè)計方案(原方案)，其結(jié)構(gòu)布局形式如圖2(a)所示。前期方案繼承自同類小球設(shè)備掛架，主要采用桁架結(jié)構(gòu)，主要由60 mm × 5 mm槽型、55 mm × 5 mm槽型和25 mm × 3 mm直角型3類型材構(gòu)成，設(shè)備掛架長寬高分別為2 950 mm、2 100 mm 和500 mm，材料為2A12，總重86.3 kg，已經(jīng)超過了設(shè)計指標(biāo)要求，并且在滿載2倍過載下，其最大應(yīng)力值為299.8 MPa，超過了材料屈服極限，如圖2 (b)所示。

圖2 原設(shè)計方案

2 設(shè)備掛架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

為了解決設(shè)備掛架重量和強(qiáng)度指標(biāo)不滿足設(shè)計要求的問題，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對設(shè)備掛架的結(jié)構(gòu)形式和布局進(jìn)行了重新設(shè)計。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的思想是將尋求結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題[13]。通過將設(shè)計區(qū)域離散成有限元網(wǎng)格，計算每個單元的材料特性，在給定的約束條件下，采用優(yōu)化算法更改材料分布，尋求最佳傳力路徑和材料分布。針對該設(shè)備掛架，具體的優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 設(shè)備掛架拓?fù)鋬?yōu)化流程圖

流程的關(guān)鍵步驟：

1)基于任務(wù)結(jié)構(gòu)輸入接口定義出初始的構(gòu)型空間，并且在初始構(gòu)型空間內(nèi)預(yù)留各種設(shè)備的安裝空間，如圖4 (a)所示。

2)由初始的構(gòu)型空間建立有限元模型，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行初步的靜力計算。這一方面驗證有限元模型的準(zhǔn)確性；另一方面對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行初步的識別，為優(yōu)化設(shè)計參數(shù)的設(shè)置提供約束參考。

3)依據(jù)掛架的設(shè)計輸入，在有限元模型中定義出設(shè)計區(qū)域和非設(shè)計區(qū)域。設(shè)計區(qū)域為拓?fù)鋬?yōu)化的主體對象，設(shè)計區(qū)域的單元密度和材料分布依據(jù)迭代步進(jìn)行變化，并最終形成滿足設(shè)計目標(biāo)的拓?fù)湫问?。設(shè)備掛架的對外接口部位均定義為不可設(shè)計區(qū)域，這些部位在優(yōu)化過程中都將得到保留。

4)定義優(yōu)化輸入，優(yōu)化問題定義包括設(shè)計變量、優(yōu)化目標(biāo)和約束的定義。在掛架的拓?fù)鋬?yōu)化中，優(yōu)化問題的定義為設(shè)計變量：單元密度；目標(biāo)：2倍滿載荷過載下，掛架底部載荷安裝點的位移值最??；約束：設(shè)計區(qū)域體積分?jǐn)?shù)小于30%，在2倍滿載荷過載下結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力。

根據(jù)圖中的優(yōu)化流程，提交有限元優(yōu)化分析軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計算，經(jīng)過60步的優(yōu)化迭代，獲得設(shè)備掛架的最佳傳遞路徑和材料分布，如圖4(b)所示。優(yōu)化后的拓?fù)湫问秸w上為框架構(gòu)型，且主要傳力路徑顯示，兩端材料構(gòu)型為梯形分布，框架上下層材料主要形成縱向分布，位于載荷接口層的中部和兩邊，共有4條主要的縱向材料分布路徑，位于囊體連接層的中部具有2條主要的縱向材料分布路徑。

圖4 設(shè)備掛架拓?fù)鋬?yōu)化

3 設(shè)備掛架的詳細(xì)設(shè)計與分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化得到的初始構(gòu)型，開展設(shè)備掛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時考慮到設(shè)備掛架尺寸大、重量限制嚴(yán)苛等特點，采用鋁型材鉚接桁架的方式進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計的設(shè)備掛架的最終結(jié)構(gòu)如圖5所示。設(shè)備掛架的材料同樣采用鋁合金2A12，主要由50 mm × 50 mm × 3 mm的槽形型材和25 mm × 25 mm × 3 mm的三角形型材構(gòu)成，其中50 mm × 50 mm × 3 mm的槽形型材構(gòu)成了設(shè)備掛架的主體框架，是設(shè)備掛架的主要承力梁；25 mm × 25 mm × 3 mm的三角形型材為掛架上各種通信、測繪和電源設(shè)備提供安裝接口。新方案相比于原方案，最大的區(qū)別在于主要承力梁的方向和位置分布。掛架的最終尺寸為2 950 mm × 2 100 mm × 500 mm，設(shè)備掛架的理論重量為58.6 kg，滿足掛架重量限制指標(biāo)。

圖5 新方案三維結(jié)構(gòu)

3.2 有限元計算分析

為了考察設(shè)備掛架是否滿足剛強(qiáng)度要求，對其進(jìn)行有限元分析。在滿載荷且2倍過載下，設(shè)備掛架的Mises應(yīng)力云圖和位移云圖如圖6所示。設(shè)備掛架的最大Mises應(yīng)力為134.9 MPa，載荷安裝位置處的最大變形為18.4 mm。

圖6 新方案在滿載且2倍過載下的有限元計算結(jié)果

表2將新的設(shè)計方案與原設(shè)計方案進(jìn)行了對比。由對比結(jié)果可知，新舊方案的整體尺寸相同(2 950 mm × 2 100 mm × 500 mm)，新的設(shè)計方案在應(yīng)力水平、位移變形、理論重量上均優(yōu)于原有設(shè)計方案，并且各種指標(biāo)均滿足設(shè)計指標(biāo)要求，解決了重量、最大應(yīng)力超標(biāo)等問題。

表2 新方案與原方案各指標(biāo)計算結(jié)果對比

注：鋁合金2A12，屈服應(yīng)力270 MPa，取安全系數(shù)1.5，要保證材料不發(fā)生屈服，則材料應(yīng)力需小于180 MPa。

4 試驗驗證

為了進(jìn)一步驗證設(shè)備掛架的剛強(qiáng)度水平，以檢驗其能否滿足工程應(yīng)用需要，在設(shè)備掛架生產(chǎn)完成之后，對其進(jìn)行了模擬加載試驗。

模擬載荷試驗測試系統(tǒng)由載荷模擬系統(tǒng)和位移響應(yīng)測試系統(tǒng)構(gòu)成，如圖7所示。其中，載荷加載系統(tǒng)由門式框架梁、液壓加載裝置、測力計和砝碼構(gòu)成；位移響應(yīng)測試系統(tǒng)由位移傳感器、采集器和計算機(jī)構(gòu)成。試驗時，模擬設(shè)備掛架在球體上的捆綁形式，將其捆綁安裝于梁式框架上，并利用加載裝置和砝碼在掛架設(shè)備和載荷安裝位置處施加相應(yīng)的載荷，然后通過位移響應(yīng)測試系統(tǒng)測試掛架上若干關(guān)鍵點的位移值來考察掛架的剛度性能。

圖7 模擬載荷試驗測試系統(tǒng)組成圖

測試時，為了去除捆綁約束變形帶來的設(shè)備掛架的剛性位移，需要設(shè)置一個測量參考點?？紤]對稱性，測量參考點和各關(guān)鍵測點的布置如圖8所示，其中A點～F點為位移測量點，M點為測量參考點。通過比較各測點到參考點M的相對位移變化，來獲取各個關(guān)鍵測點在一定加載作用下的位移值。

圖8 位移測點布置圖

設(shè)備掛架的最大任務(wù)載荷為320 kg，掛架上電源、通訊、測繪等設(shè)備為197.5 kg。按2倍過載要求，試驗任務(wù)載荷需要達(dá)到640 kg，試驗設(shè)備載荷為395 kg。試驗時，采用如下加載方案：利用砝碼將設(shè)備載荷395 kg一次性加載到設(shè)備掛架上對應(yīng)的安裝位置處，然后采用液壓裝置對任務(wù)載荷進(jìn)行逐級施加，每次加載后保持一定的時間，再進(jìn)行掛架位移響應(yīng)測試。具體的加載和測試過程見表3。

表3 加載順序及時間

每級加載并保持相應(yīng)靜置時間后，測量設(shè)備掛架上各關(guān)鍵測點的位移值。試驗中，由于測點A、B、C三點之間以及D、E兩點之間的位移相差較小，因此圖9中僅給出了測點A、E、F的位移隨加載順序的變化情況，其中點表示試驗值，線為采有限元方法分析得到的計算值。

圖9 測點位移值隨試驗加載過程的變化

由圖9可知，在每級加載作用下，試驗值和計算值大小相當(dāng)，但試驗值整體略大于計算值，卸載后各測點位移基本能夠得到恢復(fù)，未恢復(fù)值非常小。造成未恢復(fù)變形的原因是測量誤差和整體裝配間隙。因為設(shè)備掛架中各部件連接均為鉚接，且掛架內(nèi)外框架之間采用了快銷的連接方式，這種連接在結(jié)構(gòu)件上會有一定的裝配間隙，在外載作用下，間隙逐漸減小，并且卸載后間隙無法完全恢復(fù)，導(dǎo)致設(shè)備掛架在卸載后產(chǎn)生一定的剩余變形。由測點A的位移值可知，在滿載2倍過載下，載荷安裝位置處的最大變形為19.1 mm，小于25 mm，由此可見剛度滿足設(shè)計要求。另外在試驗結(jié)束后，整體外觀良好，沒有發(fā)現(xiàn)任何損傷和脫漆現(xiàn)象，基本上可以認(rèn)為設(shè)備掛架經(jīng)受住了2倍使用載荷的試驗考核，結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

針對某型系留氣球設(shè)備掛架尺寸大，承載重、自重和剛強(qiáng)度要求嚴(yán)苛等特點，在原設(shè)計方案重量、強(qiáng)度等多項設(shè)計指標(biāo)不滿足設(shè)計要求的情況下，開展掛架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計工作。

首先，基于最優(yōu)傳力路徑和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對設(shè)備掛架的初始結(jié)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，獲取了設(shè)備掛架的最佳材料分布，并據(jù)此初步得到了主要承力部件的布置方向和位置。

其次，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化得到的初始構(gòu)型，對設(shè)備掛架的結(jié)構(gòu)形式和各種連接接口進(jìn)行了重新設(shè)計。相比原有方案，新方案在主承梁的布置上具有明顯的區(qū)別，且重量減小至58.4 kg，相比原設(shè)計方案減小了約1/3，滿足設(shè)計指標(biāo)的上限要求(60 kg)。

再次，對新結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果顯示，在滿載2倍過載的情況下，新結(jié)構(gòu)方案的最大Mises應(yīng)力和最大位移分別為139.4 MPa和18.4 mm，均比原設(shè)計方案小，且均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

最后，采用模擬載荷試驗測試系統(tǒng)對設(shè)備掛架進(jìn)行了逐級加載和卸載試驗。試驗中，各關(guān)鍵測點的位移測量值與計算值較接近，卸載后各測點的未恢復(fù)變形值較小。除去裝配間隙等因素，基本上可以認(rèn)為設(shè)備掛架的結(jié)構(gòu)件還處于彈性范圍內(nèi)，沒有發(fā)生塑形變形。任務(wù)載荷安裝位置處的最大變形為19.1 mm，小于極限指標(biāo)，且卸載后整體外觀良好，沒有發(fā)現(xiàn)任何損傷和脫漆現(xiàn)象，可以認(rèn)為該設(shè)備掛架滿足剛強(qiáng)度要求。

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彭 超(1984-)，男，博士，工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計、振動控制及力學(xué)仿真工作。

Topology Optimization Design of Bracket to Fasten a Tethered Balloon

PENG Chao1,2，PENG Can3，YU Kun-peng1,2，CHENG Lin1,2，WANG Zhi-hai1,2

(1.The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China；2.NationalIndustrialDesignCenter,Hefei230088,China；3.BozhouVocationalandTechnicalCollege,Bozhou236800,China)

In this paper the topology optimization is performed for the bracket to fasten a tethered balloon. The bracket has large structural geometry. Nonetheless, excellent load carrying capacity, lightweight and high stiffness/strength are required. Based on the topology optimization, the idiographic types of structure components, especially the layout of the primary-load bearing component are presented again. Besides, mechanical properties are studied by the numerical and experimental methods. The results indicate that the weight and structural stiffness/strength of the new design are superior to the old one and the parameters meet the requirements.

tethered balloon; bracket; topology optimization; experimental analysis; stiffness/strength

2016-08-08

V273

A

1008-5300(2016)05-0034-05