朱延飛,王 君

(中國船舶重工集團公司 第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

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某二自由度回轉支撐架拓撲優(yōu)化設計

朱延飛,王 君

(中國船舶重工集團公司 第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

針對常見二自由度回轉支撐架的最優(yōu)化結構設計問題,運用ANSYS/Workbench軟件對某二自由度回轉支撐架的初步模型進行拓撲優(yōu)化設計,得到了質量分布較為合理的回轉支撐架模型,對回轉支撐架進行主要參數的敏感度分析,得出了對研究目標有較大影響的敏感參數,運用PRO/E軟件的MECHANICA模塊,對主要敏感參數進行尺寸優(yōu)化設計,得到了最優(yōu)化回轉支撐架結構。結果表明二自由度回轉支撐架及類似構件的結構優(yōu)化設計是一種較為簡潔的計算方法,對工程運算及設計具有一定的參考價值。

回轉支撐架;拓撲;優(yōu)化設計

在科學技術發(fā)展的整個過程中,二自由度轉臺被廣泛應用到航空航天、車輛、船舶等軍用裝備及民用發(fā)展中,尤其是在火炮等武器發(fā)展過程中,二自由度轉臺更是得到了廣泛應用。隨著自動化程度的提高,火力武器也越來越趨向于全自動工作,武器的調轉、炮口對目標的瞄準都離不開二自由度轉臺。

回轉支撐架作為二自由度轉臺的主要組成部分,一直是武器裝備結構設計的重中之重,其體積的大小、質量的分布、剛強度的安全系數等都關系到回轉支撐架的效能,從而對武器裝備的射擊精度、系統(tǒng)誤差等整體性能產生重要影響。因此,有必要對回轉支撐架進行全面的優(yōu)化設計。

研究通過對某二自由度回轉支撐架的結構進行拓撲優(yōu)化設計,對主要參數的敏感度分析以及結構參數的優(yōu)化設計,得出了某回轉支撐架的最優(yōu)化設計結果。

1 拓撲優(yōu)化設計

1.1 拓撲優(yōu)化建模

拓撲優(yōu)化的目的,是尋找能夠承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案,以獲得最大的剛度,從而用來指導結構設計,確定結構的最佳構型,為減重設計指明方向[1,2]。

為實現回轉支撐架質量最小、結構分布最合理的目的,我們運用ANSYS/Workbench軟件[3],建立了回轉支撐架拓撲優(yōu)化模型及網絡劃分,如圖1所示。為了減少單元數量加快優(yōu)化速度,對回轉支撐架實體進行了幾何分割,并根據不同幾何形狀設置了單元尺寸,共得到46 021個單元180 648個節(jié)點。優(yōu)化計算時考慮水平射擊工況,施加射擊后坐力時模擬軸承載荷的正弦曲線受力分布。

1.2 拓撲優(yōu)化結果

以減少質量40%為目標,以材料剛強度為邊界約束條件,回轉支撐架拓撲優(yōu)化經過21次計算后迭代收斂,拓撲優(yōu)化結果最佳材料分布如圖2所示,圖中為保留部分?？梢愿鶕牧系姆植记闆r對回轉支撐架結構進行合理改進。

1.3 拓撲優(yōu)化結構改進

根據上述拓撲優(yōu)化結果,回轉支撐架可去除材料的部分主要為兩側板及底板,其中側板可以用掏空加筋的方式來設計,底板減小其厚度并加大中間開孔尺寸,從而使材料分布更加合理。

圖1 拓撲優(yōu)化模型及網格劃分Fig.1 Topological optimal model and mesh generation

圖2 回轉支撐架最佳材料分布Fig.2 Optimized material distribution of rotary support frame

根據圖2,在出現材料堆積的部位加肋,而在無材料的地方開孔或改為薄板,建立回轉支撐架的新結構,如圖3所示。

圖3 回轉支撐架拓撲優(yōu)化結構改進Fig.3 Topological optimal structural improvement ofrotary support frame

2 結構優(yōu)化設計

2.1 初始分析計算

運用PRO/E軟件的MECHANICA模塊[4],對回轉支撐架拓撲優(yōu)化改進結構進行初始分析計算,結果如表1所列。

表1 回轉支撐架初始計算

分析表1可知,此回轉支撐架剛強度有較大余量,有必要對其進行參數化結構優(yōu)化設計。

2.2 敏感度分析

敏感度分析是一種定量分析工具,研究設計參數對模型性能的影響情況。敏感度分析分為局部敏感度分析和全局敏感度分析[5]。

(1)局部敏感度分析 局部敏感度分析是對模型參數的動態(tài)變化過程進行分析,以研究參數對模型性能的影響情況,即研究模型特定變化對參數變化的靈敏度。同時,可顯示特定設計參數的改變是否對研究目標有較大的影響,從而縮小研究范圍[6]。

根據回轉支撐架拓撲優(yōu)化結果,對拓撲優(yōu)化后的結構進行參數化設置,并分別分析各參數對回轉支撐架性能的影響,最大主應力與各參數局部敏感度如圖4所示。

由圖4可知,回轉支撐架的最大主應力隨底板厚度(圖4(a))的增大而減小,隨底板中心開孔直徑(圖4(d))、左側板去除材料深度(圖4(b))及右側板去除材料深度(圖4(c))的增大而增大。

(2)全局敏感度分析 全局敏感度分析可以選擇一個或多個在一定范圍內變化的模型參數進行分析,并以圖形方式顯示研究目標隨著設計參數變化的情況。進行全局敏感度分析,可以確定參數對模型某一性能的整體影響,尤其是參數在變化過程中可能引起的突變?；剞D支撐最大主應力與各參數關系如圖5所示,最大變形與各參數關系如圖6所示。

由計算可知,所選各尺寸參數變化對回轉支撐架最大主應力及變形都有不同程度的影響,可作為優(yōu)化設計的主要設計參數,并且在全局優(yōu)化過程中出現了最大主應力和最大變形的突變拐點[7],此拐點附近區(qū)域正是優(yōu)化設計要尋找的優(yōu)化區(qū)域,區(qū)域尋找為回轉支撐架結構尺寸的優(yōu)化設計奠定了基礎。

圖4 最大主應力與各參數局部敏感度曲線Fig.4 Local sensitivity curves of maximum principal stress and each parameter

圖5 最大主應力與各參數關系曲線Fig.5 Relationship curves of maximum principal stress and each parameter

圖6 最大變形與各參數關系曲線Fig.6 Relationship curves of maximum deformation and each parameter

2.3 結構尺寸優(yōu)化設計

通過上述回轉支撐架結構尺寸的敏感度分析,定義優(yōu)化設計變量及其優(yōu)化范圍,如表2所列。

表2 優(yōu)化設計變量及優(yōu)化范圍

根據設計要求及目的,建立以回轉支撐架總質量最小化為目標、以最大主應力滿足強度及最大變形滿足剛度要求為約束條件的回轉支撐架結構尺寸優(yōu)化設計模型。其中目標函數為

Min∶f(X)=M,

設計變量為

X=[d3,d6,d52,d60],

約束條件為

g1(X)=σ≤[σx]=290 MPa,

g2(X)=s≤2.5 mm,

其中:M為總質量;σ為最大主應力(MPa);s為最大變形量(mm)。

此問題是一個有約束的非線性最優(yōu)化問題,運行優(yōu)化設計研究,對優(yōu)化模型進行求解,結果如表3所列。

表3 優(yōu)化設計計算結果

2.4 尺寸優(yōu)化結構改進

根據上述回轉支撐架結構尺寸優(yōu)化設計結果,為便于整體結構設計及工件的生產加工,對優(yōu)化結果進行圓整,取d3=18 mm,d6=162 mm,d52=89 mm,d60=89 mm,建立回轉支撐架的新結構,如圖7所示。

圖7 回轉支撐架的改進結構Fig.7 Improved structure of rotary support frame

2.5 優(yōu)化后分析計算

對回轉支撐架參數化結構優(yōu)化設計后的改進結構進行剛強度及質量分析計算,結果如表4所列。

由表4可知,優(yōu)化后的回轉支撐架強度比優(yōu)化前減少約130%,變形增大約2.6倍,但仍滿足整體剛強度要求,并且總質量減小約51%。

表4 回轉支撐架優(yōu)化后分析計算

3 結語

通過對某二自由度回轉支撐架進行拓撲優(yōu)化,得到了架體的最佳材料分配方案,對主要參數進行敏感度分析,找到了結構參數優(yōu)化的敏感區(qū)域,建立了以質量最小化為目標、以主要敏感參數為設計變量、以滿足剛強度要求為約束的回轉支撐架結構優(yōu)化模型,通過對模型的優(yōu)化求解,得到了回轉支撐架的最優(yōu)化結構,并對優(yōu)化前后的剛強度及質量進行了對比,結果表明優(yōu)化設計后的回轉支撐架在減小總質量的同時具有較好的剛強度。

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Zhu Yanfei,Wang Jun

(713ReseachInstituteofCSIC,Zhengzhou450015,China)

Targeting at the optimizing structure design of common two-degree-freedom rotary support frame to apply the ANSYS/Workbench software to conduct topological optimal design on the preliminary model of one two-degree-freedom rotary support frame and obtain the rotary support frame model with relative reasonable mass distribution;base on the topological optimal design result to conduct sensitivity analysis of main parameters of rotary support frame and obtain the sensitivity parameters which have large influence on research objects;apply the MECHANICA module of PRO/E software to conduct the size optimization design of main sensitive parameters and obtain the optimized rotary support frame structure,provide one relative simple calculation method of optimal structural design of two-degree-freedom rotary support frame and similar component which has certain reference value for engineering calculation and design.

Rotary support frame;Topology;Optimal design

Zhu Yanfei,Wang Jun.One Two-degree-freedom Rotary Support Frame Topology Optimized Design[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(6):42-45,57.[朱延飛,王君.某二自由度回轉支撐架拓撲優(yōu)化設計[J].甘肅科學學報,2016,28(6):42-45,57.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.009.

2015-04-22;

2015-07-15.

國防基礎科研計劃資助(A0820132003).

朱延飛(1979-),男,河南南陽人,碩士,工程師,研究方向為自動武器設計.E-mail:zhuyanfei0604@126.com.

TH122

A

1004-0366(2016)06-0042-05