某二自由度回轉(zhuǎn)支撐架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)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)

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某二自由度回轉(zhuǎn)支撐架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)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(zhuǎn)支撐架的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計問題,運用ANSYS/Workbench軟件對某二自由度回轉(zhuǎn)支撐架的初步模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,得到了質(zhì)量分布較為合理的回轉(zhuǎn)支撐架模型,對回轉(zhuǎn)支撐架進(jìn)行主要參數(shù)的敏感度分析,得出了對研究目標(biāo)有較大影響的敏感參數(shù),運用PRO/E軟件的MECHANICA模塊,對主要敏感參數(shù)進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計,得到了最優(yōu)化回轉(zhuǎn)支撐架結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明二自由度回轉(zhuǎn)支撐架及類似構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一種較為簡潔的計算方法,對工程運算及設(shè)計具有一定的參考價值。

回轉(zhuǎn)支撐架;拓?fù)?優(yōu)化設(shè)計

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的整個過程中,二自由度轉(zhuǎn)臺被廣泛應(yīng)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(zhuǎn)臺更是得到了廣泛應(yīng)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(diào)轉(zhuǎn)、炮口對目標(biāo)的瞄準(zhǔn)都離不開二自由度轉(zhuǎn)臺。

回轉(zhuǎn)支撐架作為二自由度轉(zhuǎn)臺的主要組成部分,一直是武器裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計的重中之重,其體積的大小、質(zhì)量的分布、剛強度的安全系數(shù)等都關(guān)系到回轉(zhuǎn)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(chǎn)生重要影響。因此,有必要對回轉(zhuǎn)支撐架進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計。

研究通過對某二自由度回轉(zhuǎn)支撐架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,對主要參數(shù)的敏感度分析以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,得出了某回轉(zhuǎn)支撐架的最優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。

1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

1.1 拓?fù)鋬?yōu)化建模

拓?fù)鋬?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(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計,確定結(jié)構(gòu)的最佳構(gòu)型,為減重設(shè)計指明方向[1,2]。

為實現(xiàn)回轉(zhuǎn)支撐架質(zhì)量最小、結(jié)構(gòu)分布最合理的目的,我們運用ANSYS/Workbench軟件[3],建立了回轉(zhuǎn)支撐架拓?fù)鋬?yōu)化模型及網(wǎng)絡(luò)劃分,如圖1所示。為了減少單元數(shù)量加快優(yōu)化速度,對回轉(zhuǎn)支撐架實體進(jìn)行了幾何分割,并根據(jù)不同幾何形狀設(shè)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?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

以減少質(zhì)量40%為目標(biāo),以材料剛強度為邊界約束條件,回轉(zhuǎn)支撐架拓?fù)鋬?yōu)化經(jīng)過21次計算后迭代收斂,拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果最佳材料分布如圖2所示,圖中為保留部分?？梢愿鶕?jù)材料的分布情況對回轉(zhuǎn)支撐架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)。

1.3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)上述拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,回轉(zhuǎn)支撐架可去除材料的部分主要為兩側(cè)板及底板,其中側(cè)板可以用掏空加筋的方式來設(shè)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?fù)鋬?yōu)化模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Topological optimal model and mesh generation

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

根據(jù)圖2,在出現(xiàn)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(zhuǎn)支撐架的新結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 回轉(zhuǎn)支撐架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)改進(jìn)Fig.3 Topological optimal structural improvement ofrotary support frame

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 初始分析計算

運用PRO/E軟件的MECHANICA模塊[4],對回轉(zhuǎn)支撐架拓?fù)鋬?yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始分析計算,結(jié)果如表1所列。

表1 回轉(zhuǎn)支撐架初始計算

分析表1可知,此回轉(zhuǎn)支撐架剛強度有較大余量,有必要對其進(jìn)行參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(shè)計參數(shù)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(shù)的動態(tài)變化過程進(jìn)行分析,以研究參數(shù)對模型性能的影響情況,即研究模型特定變化對參數(shù)變化的靈敏度。同時,可顯示特定設(shè)計參數(shù)的改變是否對研究目標(biāo)有較大的影響,從而縮小研究范圍[6]。

根據(jù)回轉(zhuǎn)支撐架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,對拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置,并分別分析各參數(shù)對回轉(zhuǎn)支撐架性能的影響,最大主應(yīng)力與各參數(shù)局部敏感度如圖4所示。

由圖4可知,回轉(zhuǎn)支撐架的最大主應(yīng)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(cè)板去除材料深度(圖4(b))及右側(cè)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(nèi)變化的模型參數(shù)進(jìn)行分析,并以圖形方式顯示研究目標(biāo)隨著設(shè)計參數(shù)變化的情況。進(jìn)行全局敏感度分析,可以確定參數(shù)對模型某一性能的整體影響,尤其是參數(shù)在變化過程中可能引起的突變。回轉(zhuǎn)支撐最大主應(yīng)力與各參數(shù)關(guān)系如圖5所示,最大變形與各參數(shù)關(guān)系如圖6所示。

由計算可知,所選各尺寸參數(shù)變化對回轉(zhuǎn)支撐架最大主應(yīng)力及變形都有不同程度的影響,可作為優(yōu)化設(shè)計的主要設(shè)計參數(shù),并且在全局優(yōu)化過程中出現(xiàn)了最大主應(yīng)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(shè)計要尋找的優(yōu)化區(qū)域,區(qū)域?qū)ふ覟榛剞D(zhuǎn)支撐架結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

圖4 最大主應(yīng)力與各參數(shù)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(yīng)力與各參數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves of maximum principal stress and each parameter

圖6 最大變形與各參數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves of maximum deformation and each parameter

2.3 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計

通過上述回轉(zhuǎn)支撐架結(jié)構(gòu)尺寸的敏感度分析,定義優(yōu)化設(shè)計變量及其優(yōu)化范圍,如表2所列。

表2 優(yōu)化設(shè)計變量及優(yōu)化范圍

根據(jù)設(shè)計要求及目的,建立以回轉(zhuǎn)支撐架總質(zhì)量最小化為目標(biāo)、以最大主應(yīng)力滿足強度及最大變形滿足剛度要求為約束條件的回轉(zhuǎn)支撐架結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計模型。其中目標(biāo)函數(shù)為

Min∶f(X)=M,

設(shè)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(zhì)量;σ為最大主應(yīng)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(shè)計研究,對優(yōu)化模型進(jìn)行求解,結(jié)果如表3所列。

表3 優(yōu)化設(shè)計計算結(jié)果

2.4 尺寸優(yōu)化結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)上述回轉(zhuǎn)支撐架結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計結(jié)果,為便于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工件的生產(chǎn)加工,對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行圓整,取d3=18 mm,d6=162 mm,d52=89 mm,d60=89 mm,建立回轉(zhuǎn)支撐架的新結(jié)構(gòu),如圖7所示。

圖7 回轉(zhuǎn)支撐架的改進(jìn)結(jié)構(gòu)Fig.7 Improved structure of rotary support frame

2.5 優(yōu)化后分析計算

對回轉(zhuǎn)支撐架參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛強度及質(zhì)量分析計算,結(jié)果如表4所列。

由表4可知,優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)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(zhì)量減小約51%。

表4 回轉(zhuǎn)支撐架優(yōu)化后分析計算

3 結(jié)語

通過對某二自由度回轉(zhuǎn)支撐架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,得到了架體的最佳材料分配方案,對主要參數(shù)進(jìn)行敏感度分析,找到了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的敏感區(qū)域,建立了以質(zhì)量最小化為目標(biāo)、以主要敏感參數(shù)為設(shè)計變量、以滿足剛強度要求為約束的回轉(zhuǎn)支撐架結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型,通過對模型的優(yōu)化求解,得到了回轉(zhuǎn)支撐架的最優(yōu)化結(jié)構(gòu),并對優(yōu)化前后的剛強度及質(zhì)量進(jìn)行了對比,結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計后的回轉(zhuǎn)支撐架在減小總質(zhì)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(zhuǎn)支撐架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[J].甘肅科學(xué)學(xué)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(chǔ)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(shè)計.E-mail:zhuyanfei0604@126.com.

TH122

A

1004-0366(2016)06-0042-05