劉尚，吳晗，郭霄霞，王鳳娟

（齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

駁接爪是點(diǎn)支式玻璃墻幕駁接件的核心零件，與駁接頭、玻璃面板、密封材料和支撐結(jié)構(gòu)體系共同構(gòu)成玻璃墻幕。對(duì)駁接爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目的是提高力學(xué)性能、疲勞壽命，保證玻璃墻幕結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。此外，由于駁接爪在玻璃墻幕中大量使用，輕量化設(shè)計(jì)也可以減少駁接件施工的成本，并提高施工安全性。

駁接爪按照爪臂結(jié)構(gòu)可分為X 型、H 型和V 型，按照爪臂截面形狀可以分為圓形、正方形、和矩形。文獻(xiàn)[1]對(duì)駁接爪的力學(xué)性能和疲勞壽命進(jìn)行仿真，得出X 型駁接爪綜合性能優(yōu)于H 型和V 型駁接爪，并通過使用ANSYS Workbench 對(duì)X 型駁接爪以力學(xué)性能和疲勞壽命為目標(biāo)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]對(duì)X型駁接爪通過有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了破壞模式和極限承載能力。上述研究對(duì)于通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善駁接爪力學(xué)性能和疲勞壽命具有指導(dǎo)意義，但是對(duì)于駁接爪輕量化設(shè)計(jì)，未見相關(guān)文獻(xiàn)。

目前，輕量化設(shè)計(jì)常采用的方法是參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[3-4]。然而，當(dāng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量之間存在著約束關(guān)系時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上表現(xiàn)為是一種設(shè)計(jì)參數(shù)取值的折中關(guān)系，無法引導(dǎo)產(chǎn)生具有突破性的結(jié)構(gòu)方案。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)通過在不同結(jié)構(gòu)區(qū)域分布以不同密度分布材料來達(dá)到輕量化效果，這種求解策略與TRIZ 理論的局部質(zhì)量法和性能轉(zhuǎn)化原理相似。TRIZ 理論提供了40 個(gè)發(fā)明原理來求解概念設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)沖突問題，具有更廣泛的求解策略。

將TRIZ 理論與數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合，通過仿真發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)沖突，并應(yīng)用TRIZ 獲得求解策略，生成設(shè)計(jì)概念解是近年來結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一種新方法。SAULI 提出了一種CAD 與TRIZ 結(jié)合應(yīng)用方法，該方法中采用CATIA 建立剪式舉升裝置的結(jié)構(gòu)模型、采用ABAQUS 做結(jié)構(gòu)分析、采用TRIZ 求解結(jié)構(gòu)問題[5]。Alberto 提出了TRIZ 與遺傳算法相結(jié)合方法，并用于對(duì)酸橙包裝箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。

技術(shù)沖突矩陣是TRIZ 理論中一種主要設(shè)計(jì)沖突求解工具，本文提出將TRIZ 理論的技術(shù)沖突矩陣與ANSYS Workbench 結(jié)合來求解X 型駁接爪輕量化設(shè)計(jì)問題，應(yīng)用ANSYS Workbench 完成仿真，應(yīng)用TRIZ技術(shù)沖突矩陣求解數(shù)值中體現(xiàn)出來的設(shè)計(jì)沖突。

1 技術(shù)沖突矩陣與ANSYS Workbench 結(jié)合應(yīng)用方法

盡管將TRIZ 理論與數(shù)值仿真方法結(jié)合應(yīng)用取得了一定的效果，但是由于TRIZ 理論來源于多領(lǐng)域?qū)＠釤?，本身具有抽象性，因此，其求解過程中從問題建模到求解策略實(shí)施都需要與具體問題緊密結(jié)合。CAVALLUCCI 的研究也表明TRIZ 解的領(lǐng)域化需要嚴(yán)格的符合領(lǐng)域問題的情境，穩(wěn)健的解應(yīng)盡可能的減少新資源的引入[7]。在結(jié)合應(yīng)用中需要研究結(jié)合設(shè)計(jì)的過程模型和從仿真數(shù)據(jù)中提取TRIZ 可識(shí)別問題的方法。

1.1 技術(shù)沖突矩陣

對(duì)于設(shè)計(jì)沖突主要求解方法包括技術(shù)沖突矩陣、ARIZ 算法、物理沖突分析方法等[8-9]。技術(shù)沖突矩陣提供了設(shè)計(jì)沖突與對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)修改策略的關(guān)聯(lián)關(guān)系，應(yīng)用技術(shù)沖突矩陣所提供的修改策略對(duì)系統(tǒng)修改可以消除系統(tǒng)中存在的設(shè)計(jì)沖突，技術(shù)沖突矩陣的結(jié)構(gòu)。見圖1 所示。

一個(gè)技術(shù)沖突，可以用兩個(gè)相互沖突的技術(shù)目標(biāo)來描述，TRIZ 理論中提供了39 個(gè)工程參數(shù)為技術(shù)目標(biāo)提供抽象化描述。當(dāng)我們修改系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)變量取值時(shí)，其中某個(gè)技術(shù)目標(biāo)i會(huì)改善，而另一個(gè)技術(shù)目標(biāo)j變得惡化，那么技術(shù)目標(biāo)i和技術(shù)目標(biāo)j之間就存在一個(gè)技術(shù)沖突，用TRIZ 提供的工程參數(shù)來描述為（參數(shù)i，參數(shù)j）。圖1 中，（l, ,m n）是沖突矩陣提供的用于消除這一技術(shù)沖突的系統(tǒng)修改策略，稱發(fā)明原理。

圖1 技術(shù)沖突矩陣結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)沖突矩陣與ANSYS Workbench 優(yōu)化方法的比較

技術(shù)沖突矩陣與ANSYS Workbench 分別適合與處理設(shè)計(jì)過程概念設(shè)計(jì)問題和參數(shù)化設(shè)計(jì)問題，表1 從適合的問題、求解方法、結(jié)果形式、結(jié)果小果和后續(xù)處理等幾個(gè)方面對(duì)兩者進(jìn)行了比較。

表1 技術(shù)沖突矩陣與ANSYS Workbench 優(yōu)化方法的比較

通過比較發(fā)現(xiàn)，技術(shù)沖突矩陣適合于求解概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)沖突問題，求解的結(jié)果是消除設(shè)計(jì)沖突，其結(jié)果可進(jìn)一步使用ANSYS Workbench 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。而ANSYS Workbench 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果不改變?cè)O(shè)計(jì)的原理結(jié)構(gòu)，僅提供現(xiàn)有設(shè)計(jì)的最佳數(shù)值解，不能消除概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)沖突。當(dāng)最佳數(shù)值解仍需進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)，就需要從概念解的角度進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，此時(shí)，需要應(yīng)用TRIZ 理論以強(qiáng)化設(shè)計(jì)沖突并消除設(shè)計(jì)沖突，這一點(diǎn)不同于參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)以折中來弱化設(shè)計(jì)沖突。

ANSYS Workbench 的仿真過程數(shù)據(jù)為發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)中存在的設(shè)計(jì)沖突提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。如果將兩者結(jié)合，構(gòu)建概念設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)迭代過程，會(huì)提高單獨(dú)使用任何一種方法的求解效果。

1.3 技術(shù)沖突矩陣與ANSYS Workbench 結(jié)合的設(shè)計(jì)過程模型

圖2 所示為技術(shù)沖突矩陣與ANSYS Workbench 結(jié)合應(yīng)用的設(shè)計(jì)過程模型。其中，關(guān)鍵步驟具體要求闡述如下：

圖2 TRIZ 與ANSYS Workbench 結(jié)合應(yīng)用的設(shè)計(jì)過程模型

（1）確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。確定目標(biāo)系統(tǒng)的主要有益功能，圍繞主要有益功能確定系統(tǒng)的技術(shù)目標(biāo)。

（2）建立有限元分析模型并計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)問題，確定邊界條件，建立有限元模型，劃分網(wǎng)格。進(jìn)行有限元仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，從技術(shù)目標(biāo)中選取待優(yōu)化的技術(shù)目標(biāo)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定優(yōu)化計(jì)算的設(shè)計(jì)變量。

（3）定義TRIZ 形式的沖突問題。從DOE 數(shù)據(jù)中心分析設(shè)計(jì)變量與技術(shù)目標(biāo)取值關(guān)系，確定技術(shù)沖突，并應(yīng)用技術(shù)沖突矩陣找到發(fā)明原理。

（4）求解策略。技術(shù)沖突矩陣中，對(duì)于每一個(gè)技術(shù)沖突提供0～4 個(gè)發(fā)明原理，這些發(fā)明原理是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行變化的策略，但由于原理來源于多領(lǐng)域具有抽象性，并非都與問題明顯相關(guān)，因此需要通過對(duì)原理的陳述來分析并選擇出與問題相關(guān)的原理。

（5）選擇設(shè)計(jì)結(jié)果。本文所提出的設(shè)計(jì)過程支持優(yōu)化設(shè)計(jì)與TRIZ 循環(huán)應(yīng)用的迭代過程，每一輪迭代都會(huì)產(chǎn)生原設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和修改后原理結(jié)構(gòu)的具體化設(shè)計(jì)方案，這兩類設(shè)計(jì)方案都要進(jìn)入備選集?？删C合考慮技術(shù)目標(biāo)、制造成本等從備選集的選擇可行設(shè)計(jì)方案，來終止迭代過程。

1.4 技術(shù)沖突的提取方法

DOE 數(shù)據(jù)體現(xiàn)了設(shè)計(jì)變量取值和優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系，當(dāng)設(shè)計(jì)變量數(shù)值變化時(shí)，多個(gè)技術(shù)目標(biāo)數(shù)值會(huì)發(fā)不同的變化趨勢(shì)。這種趨勢(shì)如果向著設(shè)計(jì)理想目標(biāo)變化，稱之為“設(shè)計(jì)變量與技術(shù)目標(biāo)正相關(guān)”；如果向著涉及理想目標(biāo)相反的方向變化，稱之為“設(shè)計(jì)變量與技術(shù)目標(biāo)負(fù)相關(guān)”。當(dāng)設(shè)計(jì)變量以某一趨勢(shì)變化時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的技術(shù)目標(biāo)就構(gòu)成了技術(shù)沖突。對(duì)于技術(shù)沖突求解時(shí)，需要將技術(shù)沖突與TRIZ 理論的39 個(gè)工程參數(shù)匹配，形成符合TRIZ 技術(shù)沖突模型要求的技術(shù)沖突表達(dá)，然后使用技術(shù)沖突矩陣。圖3 中表達(dá)了DOE 數(shù)據(jù)沖突與技術(shù)沖突矩陣之間的匹配關(guān)系。

例如：圖3 中，以一板材厚度作為設(shè)計(jì)變量，以板材重量和受力情況下變形為技術(shù)目標(biāo)，從圖中 ANSYS Workbench DOE 數(shù)據(jù)中心可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)板材厚度增加時(shí)，重量增加（不理想），但是同時(shí)總變形會(huì)減?。ɡ硐耄?，此時(shí)，當(dāng)板材厚度增加的時(shí)候，板材重量和總變形就構(gòu)成了技術(shù)沖突。

圖3 DOE 數(shù)據(jù)與技術(shù)沖突之間的關(guān)系

需要注意的是，TRIZ 理論39 個(gè)工程參數(shù)是從數(shù)百萬分專利數(shù)據(jù)中抽象出來的工程參數(shù)語義本體，具有一般性。當(dāng)技術(shù)目標(biāo)無法匹配到適合的TRIZ 工程參數(shù)，則問題不能使用技術(shù)沖突矩陣求解。

2 型駁接爪的輕量化設(shè)計(jì)

2.1 確設(shè)計(jì)問題

X 型矩形截面駁接爪，材料316 不銹鋼，整體寬度250 mm，平面風(fēng)壓載荷2 500 N，重力1500 N。綜合考慮輕量化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命等因素，在靜載條件下，對(duì)其進(jìn)行再設(shè)計(jì)。點(diǎn)支撐玻璃幕墻主要受力為自重力和作用在玻璃平面上的風(fēng)載荷。圖4 是X 型豎矩形截面駁接爪結(jié)構(gòu)圖。

圖4 X 型豎矩形截面駁接爪結(jié)構(gòu)圖

2.2 建立有限元模型并計(jì)算

考慮駁接臂的轉(zhuǎn)接頭和駁接頭接口的強(qiáng)度和剛度要求，選擇駁接臂的豎矩形截面的寬度為設(shè)計(jì)變量，根據(jù)駁接爪與駁接頭聯(lián)結(jié)端高度，限定設(shè)計(jì)變量臂寬(M)的取值范圍[7,11]，材料屬性見表2。

表2 316 不銹鋼材料屬性

駁接爪工作中主要承受風(fēng)壓，在轉(zhuǎn)接頭內(nèi)孔面上添加固定約束B，將駁接頭連接柱的底面作為風(fēng)載荷的受力面，風(fēng)載荷A 大小為2 500 N，如圖5。

圖5 駁接爪受力分析圖

由于點(diǎn)支式玻璃幕墻玻璃面板本身的重力荷載由專門承受重力荷載的彈簧懸掛點(diǎn)來承受，故沒有考慮玻璃的重量。采用UG建立三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到ANSYS 中并劃分網(wǎng)格采用默認(rèn)單元尺寸得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 196，單元數(shù)為2 022。應(yīng)用ANSYS workbench 完成如下工作：（1）在設(shè)計(jì)變量取值范圍內(nèi)選擇M=9.1 mm（設(shè)計(jì)變量定義域內(nèi)任意數(shù)值，即可行設(shè)計(jì)方案），在載荷條件下，計(jì)算等效應(yīng)力、變形，繪制疲勞敏感曲線（圖6）。

圖6 化前駁接爪仿真結(jié)果

（2）為實(shí)現(xiàn)輕量化，以駁接爪的體積最小、強(qiáng)度最大和變形最小為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，并驗(yàn)證疲勞壽命，對(duì)駁接爪進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果見圖7。

步驟(1),(2)的計(jì)算結(jié)果見表3，圖7 為優(yōu)化后的等效應(yīng)力(a)、變形(b)和疲勞敏感曲線(c)。與優(yōu)化設(shè)計(jì)前相比，優(yōu)化后駁接爪體積減小11.003%，最大應(yīng)力位置由原來的轉(zhuǎn)接頭上表面，轉(zhuǎn)移至駁接爪臂上表面中間位置，最大應(yīng)力值為明顯降低，變形有所增加，但均在剛度、強(qiáng)度條件允許范圍之內(nèi)；優(yōu)化前在外載荷小于0.7 倍風(fēng)載時(shí)，疲勞壽命不受風(fēng)載影響，優(yōu)化后，外載荷小于1 倍風(fēng)載時(shí)，疲勞壽命不受影響。

圖7 優(yōu)化后駁接爪仿真結(jié)果

表3 初始設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

2.3 定義TRIZ 形式的沖突問題

由優(yōu)化計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，駁接爪臂寬度變化時(shí)引起最大效應(yīng)力位置發(fā)生變化，應(yīng)力數(shù)值降低，但也發(fā)現(xiàn)其最大應(yīng)力位置發(fā)生變化，因此定義技術(shù)沖突為靜止物體的體積與強(qiáng)度之間的沖突；總變形位置不變，但是數(shù)值從優(yōu)化前得0.693 45mm 變?yōu)閮?yōu)化后的0.861 mm，因此定義技術(shù)沖突為靜止物體的體積與形狀間的沖突，此外，以物體體積作為優(yōu)化目標(biāo)在工程上的意義是減少材料的浪費(fèi)，對(duì)于單一材質(zhì)的零件來說，其體積與重量是成正比的，因此，改善參數(shù)也可以加入靜止物體的重量。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，所引起的在駁接爪臂寬度參數(shù)上的取值沖突構(gòu)成物理沖突，即如果有寬度值大，那么變形小，體積變大；如果寬度值小，那么變形大，體積小。構(gòu)建沖突模型如圖8 所示，“√”表示技術(shù)目標(biāo)改善，“X”表示技術(shù)目標(biāo)惡化，“+”表示參數(shù)取值增大。由于使用單一材料，體積和重量成正比，同時(shí)采用重量和體積是為了從多角度獲得發(fā)明原理提示，所以提煉出多個(gè)沖突，列寫為沖突列表，見表4。

表4 設(shè)計(jì)沖突表

圖8 駁接爪設(shè)計(jì)沖突模型

選擇TRIZ 原理解2（抽取），14（曲面化）。其中，“曲面化”原理陳述：①將直線部分用曲線代替，平面用球面代替，立方體結(jié)構(gòu)改成球體結(jié)構(gòu)。②使用滾筒、球體、螺旋狀等結(jié)構(gòu)。③從直線運(yùn)動(dòng)改成回旋運(yùn)動(dòng)，利用離心力?！俺槿　痹黻愂觯孩?gòu)奈矬w中抽出產(chǎn)生負(fù)面影響（干擾）的部分或?qū)傩?。②只從物體中抽取必要的部分或?qū)傩?。參照抽取原理，將產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)的因素(消耗材料而不承擔(dān)應(yīng)力的部分)抽出，引入?yún)?shù)T，表示槽深；參照曲面化原理，將臂頂部曲面化，引入?yún)?shù)R，表示臂頂部曲率半徑，新結(jié)構(gòu)見圖9。仿真數(shù)據(jù)見圖10，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、TRIZ 產(chǎn)生的設(shè)計(jì)方案3 種的數(shù)據(jù)見表5。

表5 3 種設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)列表

圖9 X 型豎矩形駁接爪新結(jié)構(gòu)

圖10 應(yīng)用TRIZ求解后駁接爪的仿真結(jié)果

圖中R表示爪臂頂部弧線半徑，T表示臂測(cè)開槽深度。上述3個(gè)設(shè)計(jì)方案都能滿足強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命的要求，但應(yīng)用TRIZ 獲得的解改變了結(jié)構(gòu)，與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)比，應(yīng)力、變形、體積具有改善。其中，應(yīng)用TRIZ 理論獲得的方案的駁接爪的體積與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果相比，減小了4.036%，與優(yōu)化前的數(shù)據(jù)比較，減小了14.59%。本文中，TRIZ 推出的方案可進(jìn)一步選擇設(shè)計(jì)變量X= [R,M,T]進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)入設(shè)計(jì)迭代。

3 結(jié)論

將TRIZ 理論的技術(shù)沖突矩陣與ANSYS Workbench 結(jié)合應(yīng)用，構(gòu)建設(shè)計(jì)迭代過程，能夠?qū)?shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)通過仿真數(shù)據(jù)結(jié)合。ANSYS Workbench 優(yōu)化設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的DOE 數(shù)據(jù)表是分析提煉技術(shù)沖突的基礎(chǔ)。以此方法對(duì)X 型豎矩形截面駁接爪進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，所得到的解在滿足剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命要求的前提下，其體積比原設(shè)計(jì)減小了14.59%，比原設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)果減小了4.036%，由于駁接爪使用單一材料，因此，體積變化既是重量變化。