环箍连接结构参数化有限元优化设计

（1.云南国土资源职业学院机电工程学院,云南昆明,650217；2.昆明学院自动控制与机械工程学院，650217）

环箍连接结构参数化有限元优化设计

邹艳红1,沈明秀2

（1.云南国土资源职业学院机电工程学院,云南昆明,650217；2.昆明学院自动控制与机械工程学院，650217）

在水下航行体大段联接中，环箍连接已经取代了螺钉联接，在实际中得到了广泛的应用。利用ADPL语言对ANSYS软件进行二次开发，建立环箍连接结构的参数化有限元模型，在应用过程中为提高该连接结构的强度,要严格操作程序，坚持采用环箍径向和轴向尺为设计变量,把结构最大应力比作为应用的目标函数，进一步优化数学模型，科学应用一阶优化法进行求解，通过优化，结果表明，拉伸载荷下结构的最大等效应力较优化前降低15.17%，结构的安全系数较优化前有效的提高17.8%，基本实现了环箍连接结构设计中精确计算代替近似计算，用优化设计代替经验设计。

环箍连接结构;有限元模型;优化设计;关键尺寸

0 引言

环箍连接具有连接可靠、装卸方便等显著的优点，而且在应用中还具有连接外表面光顺、结构紧凑、减小阻力、降低噪声等特点，凭借其显著的优点和特点，目前环箍连接已被广泛应用于水下航行体等水下部件的连接。一般的环箍连接结构由被连接件以及环箍组成。从物理学力学模型角度看，环箍连接结构可以说是力学中典型的面一面摩擦接触组合连接结构形式，对此结构的优化基本上可以归为含接触问题的结构形状优化设计。

1 环箍连接结构优化模型

1.1 环箍连接结构数学模型建立

鉴定研究的优化结果是否可用，主要取决于分析者对设计变量的选取以及目标函数的定义情况。此次研究的目的主要是为了降低结构的应力水平，有效的提高环箍连接结构结构强度，科学的利用拉伸载荷作用下环箍连接结构各件的受力特征，科学且精准的确定结构中各件采用的强度准则，根据实际需要有效的确定各件的安全系数，为了确保安全和科学应用，在确定安全系统是必须科学合理，以确保连接结构的安全系数最大化。在实际应用中一般优化要求目标函数取极小值因此文中以安全系数的倒数，通常是应力比为目标函数。环箍连接结构应用中由于局部弯矩作用导致两环形槽拐角处的应力值较大，所以在应用中一般都需要科学定义，对于环箍连接结构宜采用第四强度准则，可定义应力比：

目标函数取式(1)所定义应力比的最大者

优化过程为在设计变量可行性空间域内使式(4.2)定义的目标函数取极小值，因此，优化数学模型便可表述为：

由式(3)可见，研究中的优化属于约束多维优化问题，根据应用情况基本为设计变量，其约束仅为设计变量的几何约束。

1.2 环箍连接结构参数化模型

由于单向拉伸载荷作用下环箍连接结构的承载和几何模型具有对称性，所以分析时将环箍腔表面视为目标面，将环箍斜面视为接触面，同时考虑A、B连接件之间的接触关系。根据设计要求，在ANSYS优化设计中构建有限元模型必须采用参数化建模，考虑的设计变量为描述环箍带厚度及径向位置的量a1 和a2 ，描述环箍带宽度及轴向位置的量b1 和b2 ，描述两接触面的斜角c1和c2，以及环箍腔内表面的倒角半径r1 和r1，设计变量如图2。环箍承受的单向拉力为18 kN，均匀分布在A件的截面处；而轴向位移约束于B件截面。

图2 环箍的设计变量

因为，计算中用到的材料参数见表1，故按表1所示的环箍连接结构主要参数及其它几何参数建立有限元参数化模型如图2所示;环箍连接结构要优化的参数如表2。

2 优化结果及分析

2.1 优化结果

优化收敛误差 取0.001，求解经12次循环后退出，得到最优解。表3 提供出的优化前后设计变量以及目标函数的变化情况，优化前后的环箍连接结构、环箍的等效应力场分布如图4、图5所示。

优化前后结构尺寸及相应结果的比较如表2所列：

3 结论

由于环箍连接在应用中起着关键的支撑和传递载荷的作用，其连接处如果一旦发生破坏或失效，那么必然会导致整个系统无法实现预期功能，因此关于环箍连接结构的强度的优化设计显得非常重要。

从上述研究分析可以看出，目前以表征环箍带厚度及径向位置的量a1 和a2 ，表征环箍带宽度及轴向位置的量b1 和b2 ，表征两接触面的斜角c1和c2，根据研究给出方案。结果表明，环箍的优化前为296.1 MPa，优化后分别为256.6 MPa ，优化后结构的应力分布较优化前更为均匀。结构的最大等效应力比较优化前降低15.17% ,安全系数较优化前提高17.8%。因此，优化后环箍连接结构的强度增强。实践说明结合有限元法和优化方法对复杂连接结构进行优化设计可以改善结构的应力分布，增加结构强度。

[1] 黄鹏，楔环连接结构参数化有限元优化设计,机械强度，2004

[2] 李世芸,ANSYS9.0基础及应用实例. 北京：中国科学文化出版社，2005

[3] 徐秉业、刘信声，结构塑性极限分析[M]．北京：中国建筑工业出版社，1985

Optimization design of structure parameters of ring hoop connection

Zou Yanhong1,Shen Mingxiu2
（1.Yannan Land Resources Vocational College mechanical and electrical engineering Department Yunnan Kunming,650217;2.FEM-BASEED PARAMETIC OPTIMIZATION DESIGN OF THE HOOP CONNECTION,650217）

The parameters finite element model of the hoop ring connecting structure is establishing using ANSYS parametric parameters design language(ADPL).For enhancing the joint strength，the calculation considered the hoop ring dimension and filleting radius as design variables,took the maximal stress ratio as objective function to establish the optimization mathematics model.the optimization problem was solved using gradient method .the optimitation result showed the maximal Mises stress of the optimum structure was 15.17% less than that of the initial structure.and that safety coefficient of the optimum structure raised to 17.8% under lensile loading.In addition,The optimum structure was more rigid than the initial strcture .Thus,the optimization method combined with nonlinear FEM can be used to design the joint structure and enhance structure strength.

The hoop connection;Finite element model;Optimization design