基于电子表单的圆柱形壳体结构参数化设计

宋保维, 叶 径, 曹永辉



基于电子表单的圆柱形壳体结构参数化设计

宋保维, 叶 径, 曹永辉

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

针对水下航行器研制中存在的设计周期冗长现象, 提出了一种结构设计的新思路, 以自主式水下航行器（AUV）圆柱段壳体结构优化设计为例, 利用电子表单使UG的建模功能与MATLAB科学运算功能得到有效的结合, 完成了对壳体结构的优化设计及模型更新, 重点说明了如何利用电子表单在MATLAB与UG之间进行数据通信, 实现了参数化结构的优化设计。研究结果表明, 该方法能极大地缩短结构设计周期, 减少由于零件尺寸变化带给工程师设计上的工作量, 也使得产品的结构设计系列化成为可能。

自主式水下航行器(AUV); 优化设计;电子表单;圆柱壳体; UG; MATLAB

0 引言

目前, 我国水下航行器的研制基本都采用CAD技术进行产品设计, 但绝大部分是将CAD作为一种绘图工具, 而不是设计工具。由于水下航行器结构复杂, 传统设计方法使得设计人员花费大量的时间在图纸更新等重复工作上; 而参数化设计方法将模型中的定量信息变参化, 参数化模型中建立的各种几何约束与工程约束, 能更好地体现设计人员的设计意图。由于可以利用参数驱动约束, 参数化设计能大大提高模型的生成和修改速度, 在产品系列设计、相似设计方面具有较大的应用价值。

本文以在海洋探测中应用广泛的自主式水下航行器(automanned underwater vehicle, AUV)圆柱段壳体结构设计为研究对象, 结合使用UG与MATLAB, 提出一种机械结构参数化设计新思路。限于篇幅, 仅列举一简单实例, 重点说明如何利用电子表单在MATLAB与UG之间进行数据通信, 实现参数化结构的优化设计。

1 基于UG的圆柱段壳体参数化模型

1.1 壳体结构初步设计

UG是集CAD/CAE/CAM为一体的软件, 具有强大的参数化设计功能, 在设计和制造领域得到了广泛的应用。

环肋加强和薄壁壳体是水下航行器的主要结构形式, 本文以矩型肋骨为例, 其他类型肋骨可以参照本研究方法进行。

一般AUV壳体由头部、中段和尾部3段组成, 圆柱段外形参数包括壳体最大直径和中段平行段长度。矩形肋骨参数如图1所示。

图1 矩型肋骨结构参数图

为了建模方便, 初步确定AUV圆柱段壳体结构参数:=534.4 mm,=4 150 mm,1=5.3 mm,2=130 mm,3=5 mm,4=20 mm。

1.2 基于UG的圆柱段壳体参数化建模

在计算机辅助设计系统中, 不同型号的产品往往只是尺寸不同而结构相同, 映射到几何模型中, 就是几何信息不同而拓扑信息相同[1]。参数化设计方法就是通过存储设计的整个过程中相同的拓扑关系, 从而设计出一族而不是单一的产品模型。对于参数化模型, 通过改变相应的几何参数值即可更新几何实体。

本文对AUV圆柱段壳体设计所需要设定的参数主要有壳体厚度、肋骨个数、尺寸以及肋骨间距等。3D建模的关键在于建模过程中要保持模型的参数化, 以达到参数化驱动模型的目的。

本例中首先运用圆柱实体特征与抽壳功能建立圆柱段空壳, 再利用UG的2D草图功能绘制出矩型旋转特征, 然后在建模环境中绕轴旋转得到矩型环肋, 并运用实例特征的矩形阵列功能让肋骨布满空壳内, 最后用布尔运算求和把壳体与肋骨连成一个整体, 如图2所示。

图2 AUV圆柱壳体3D透视图

1.3 基于UG电子表单驱动的模型更新

UG的电子表单提供了Excel、Xess与UG间的智能接口。电子表单通过UG变量链接至模型, 使用电子表单可以抽取部件数据、修改部件参数, 并能驱动所链接的3D模型, 避免了由于设计变化而不得不修改大量模型参数所带来的不便。

在UG的入口环境、部件族功能和表达式编辑器中, 都涉及到电子表单的使用功能[2]。本文利用其中功能最强大的建模电子表单, 抽取参数化模型的部件数据, 并导入MATLAB中进行优化, 将优化结果导入UG参数化模型, 实现AUV圆柱段壳体结构的更新。具体流程图如图3所示。

图3 参数化结构优化设计流程图

模型更新实现步骤如下。

首先打开第1步所建立的圆柱段3D模型, 进入建模应用。通过[Tools]—[Spreadsheet]子菜单打开电子表格, 然后导入MATLAB优化结果, 在电子表格菜单栏选择[Tools]—[Update NX Part], 优化数据将被送回UG模型, 实现模型更新。

2 基于MATLAB的圆柱段壳体结构优化设计

MATLAB是集科学计算、数据可视化和程序设计为一体的工程应用软件, 广泛用于计算机辅助分析、设计与仿真等。

最优化算法就是研究如何从多个方案中科学合理地提取最佳方案的一门科学。将MATLAB运用于最优化方法, 可使得机械优化设计更趋于科学性。同时MATLAB不用编写复杂的运算程序和各种难于掌握的优化算法, 而且通俗易学, 从而使优化问题更通俗化。

MATLAB的最优化技术主要包括2个方面内容[3]: 1) 建立数学模型, 即用数学方法来描述最优化问题。模型中的数学关系式反映了最优化问题所要达到的目标和各种约束条件。2) 数学求解。数学模型建好以后, 选择合理的优化方法进行求解。

2.1 圆柱段壳体结构优化模型

1) 设计变量。设计变量即要优化的结构参数, 取矩型肋骨相关参数1,2,3,4。

2) 目标函数。目标函数是以设计变量表示设计所要追求的某种性能指标的解析表达式, 用来评价设计方案优劣的标准。本例以壳体质量最轻为目标。

中段内1根肋骨的体积

优化数学模型

min()=2p11+(2)

式中:为中段壳体半径;为中段内单个肋骨的体积;为肋骨总数。

3) 约束条件。即对设计变量的取值加以某些限制的条件。对于AUV壳体结构设计, 主要有以下2类约束。

a) 参数约束。主要包括壳体厚度、肋骨间距以及肋骨尺寸。

b) 强度及稳定性约束。根据水下航行器壳体结构分析, 其强度及稳定性主要满足以下条件。

跨度中点处壳板的横向平均应力

肋骨处壳板的纵向应力

壳板稳定性

P≥(6)

总体稳定性

肋骨稳定性

其中各参数详见文献[4]。

为了简化计算, 用水平集来判断失稳形式, 这样就可简化约束条件[5]。

式中:为肋骨间距;为壳板外径;为材料的屈服极限;为弹性模量;为壳板厚度。

2.2 MATLAB程序设计

本文主要利用MATLAB优化工具箱中内置fmincon函数实现约束优化问题求解。应用函数模块fmincon不仅能很好地解决单目标多变量约束非线性优化问题, 且能大大提高设计准确度和可靠性[6]。Fmincon函数主要采用序列二次规划法(SQP法)来求解非线性约束优化问题[7]。SQP法基于K-T(Kuhn-Tucker)方程解, 可有效解决非线性约束优化问题, 该方程是有约束最优化问题求解的必要条件[8], 是非线性规划算法的基础。

MATLAB中SQP法的实现主要分3步, 1) 拉格朗日函数Hessian矩阵的更新; 2) 二次规划问题求解; 3) 1D收索和目标函数的计算。

编制的优化程序主要代码如下。

a) 目标函数文件objfunctnew.m

function f = objfunctnew(x)

t=x(1); l=x(2); b=x(3); h=x(4);

r=534.4; ll=4100;

q= ceil (ll/l);

f=2*pi*r*t*ll+b*h*pi*(2*r-2*t-h)*q;

b) 约束函数文件nlconnew

本优化模型约束条件比较复杂, 限于篇幅, 只给出约束文件结构形式。程序中各参数详见参考文献[4]。

function [c,ceq]= nlconnew (x)

…… %初始化

y=sqrt (l/(2*r)*(s/e)/(t/(2*r))^(3/2))

%y代表水平集

if y<0.8

c(1)=K20*Pj*r/t-0.85*s;

c(2)=sleq-s;

elseif y>1.1

c(1)=Pj-Pcr;

c(2)=Pj-Pcr;

else

c(1)=1.3*Pj-Pcrg;

c(2)=1.3*Pj-Pcrg;

end %非等式约束

ceq=[] %等式约束

c) 执行文件mytry.m

x0=[5.3;130;5;20]

lb=[0,0,0,0];

ub=[]; %优化初值

options=optimset('display','iter','largescale','off');

[x,fval]=fmincon(@objfunctnew,x0,[],[],[],[],lb,ub,@nlconnew,options) %调用函数

3 实例验证

为了验证本文所提出的结构设计新方法的有效性, 现将圆柱形壳体结构的常规设计结果与本优化设计结果进行比较。

设AUV的最大工作深度300 m, 采用矩型加肋薄壁结构, 壳体材料选择S/Steel-PH15-5, 常态下其杨氏模量205.56 GPa, 泊松比0.3, 屈服强度860.9 MPa, 密度7 816.93 kg/m3, 安全因数1.2。

圆柱段壳体结构基本参数如下:=534.4 mm,=4 150 mm, 在同深度、同材料、同肋骨型式条件下, 采用文献[4]所提供的常规设计方法和本参数化结构优化设计方法所得结果比较见表1，其中，表示中段壳体重量。

表1 常规与优化设计结果对比

Table 1 Comparison of conventional design and optimi- zation result

从表1可以看出, 采用本参数化结构优化设计方法, 可使中段壳体重量减轻43.1%。

3.1 模型更新

使用MATLAB函数“XLSWRITE()”, 将优化结果输入电子表格中, 并指定电子表格第1列为变量表达式, 第2列为变量名。此处变量表达式必须与UG参数化模型中的变量表达式一致。将电子表单导入UG, 可以看到圆柱壳体结构的参数化模型更新了, 如图4所示。

图4 更新后的AUV圆柱壳体3D透视图

4 结束语

本文特色在于利用电子表单实现了MATLAB优化结果与UG参数化模型的链接, 且模型选取比较简单, 使之用于复杂结构模型的优势更为明显。作为本文的扩展, 还可以利用电子表单实现UG参数化模型与其他优化输出结果的链接。此方法既无需复杂的编程技术, 又无需根据优化结果手动修改模型, 可缩短结构设计周期, 减少工作量, 使产品结构设计系列化成为可能。

[1] 李福海, 刘毅. 二次开发UG实现飞机操纵系统零件参数化设计与虚拟装配自动化[J]. 机械科学与技术, 2003, 22(11): 242-244.

Li Fu-hai, Liu Yi. The Parametric Design and the Automatization of the Virtual Assembly Based on the Secondary Development of UG[J]. Mechanical Science and Technology, 2003, 22(11): 242-244.

[2] 李小力, 余世浩. 电子表单在UG软件中的应用[J]. 机械设计与制造, 2008, 4(4):62-63.

Li Xiao-li, Yu Shi-hao. Application of Spreadsheet in UG[J]. Machinery Design & Manufacture, 2008, 4(4): 62-63.

[3] Magrab E B. MATLAB原理与工程应用[M].北京: 电子工业出版社, 2002.

[4] 张宇文. 鱼雷总体设计原理与方法[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1998.

[5] 宋保维. 水下航行器现代设计理论与方法——可靠性与优化设计[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2004.

[6] 王春香, 冯慧忠. MATLAB软件在机械优化设计中的应用[J]. 机械设计, 2004, 21(7): 52-54.

[7] 苏金明, 张莲花, 刘波, 等. MATLAB工具箱应用[M].北京: 电子工业出版社, 2004.

[8] 刘惟信. 机械最优化设计[M]. 2版. 北京: 清华大学出版社, 2000.

Parametric Design of Cylinder Shell Based on Spreadsheet

SONG Bao-wei, YE Jing, CAO Yong-hui

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

To shorten design period of autonomous underwater vehicle (AUV), this paper presents a new approach by taking optimization design of an AUV cylinder shell construction as an example. The UG′s modeling ability and the MATLAB′s scientific computing function are combined effectively by virtue of the spreadsheet, and the 3D model of cylinder shell is updated according to the optimization result. This paper highlights the way of data transmission between MATLAB and UG via spreadsheet. This study shows that the present method can greatly shorten the structure design period, reduce the engineers' workload, and make it possible to serialize the product structure design.

autonomous underwater vehicle (AUV); optimization design; spreadsheet; cylinder shell; UG; MATLAB

TJ630.3

A

1673-1948(2011)01-0006-04

2010-06-22;

2010-09-08.

宋保维(1963-), 男, 教授, 博导, 研究方向为水下航行器流体力学、水下特种减阻技术, 可靠性以及机电一体化技术.

(责任编辑: 陈 曦)