某二自由度回转支撑架拓扑优化设计

朱延飞,王 君

(中国船舶重工集团公司 第七一三研究所,河南 郑州 450015)



某二自由度回转支撑架拓扑优化设计

朱延飞,王 君

(中国船舶重工集团公司 第七一三研究所,河南 郑州 450015)

针对常见二自由度回转支撑架的最优化结构设计问题,运用ANSYS/Workbench软件对某二自由度回转支撑架的初步模型进行拓扑优化设计,得到了质量分布较为合理的回转支撑架模型,对回转支撑架进行主要参数的敏感度分析,得出了对研究目标有较大影响的敏感参数,运用PRO/E软件的MECHANICA模块,对主要敏感参数进行尺寸优化设计,得到了最优化回转支撑架结构。结果表明二自由度回转支撑架及类似构件的结构优化设计是一种较为简洁的计算方法,对工程运算及设计具有一定的参考价值。

回转支撑架;拓扑;优化设计

在科学技术发展的整个过程中,二自由度转台被广泛应用到航空航天、车辆、船舶等军用装备及民用发展中,尤其是在火炮等武器发展过程中,二自由度转台更是得到了广泛应用。随着自动化程度的提高,火力武器也越来越趋向于全自动工作,武器的调转、炮口对目标的瞄准都离不开二自由度转台。

回转支撑架作为二自由度转台的主要组成部分,一直是武器装备结构设计的重中之重,其体积的大小、质量的分布、刚强度的安全系数等都关系到回转支撑架的效能,从而对武器装备的射击精度、系统误差等整体性能产生重要影响。因此,有必要对回转支撑架进行全面的优化设计。

研究通过对某二自由度回转支撑架的结构进行拓扑优化设计,对主要参数的敏感度分析以及结构参数的优化设计,得出了某回转支撑架的最优化设计结果。

1 拓扑优化设计

1.1 拓扑优化建模

拓扑优化的目的,是寻找能够承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案,以获得最大的刚度,从而用来指导结构设计,确定结构的最佳构型,为减重设计指明方向[1,2]。

为实现回转支撑架质量最小、结构分布最合理的目的,我们运用ANSYS/Workbench软件[3],建立了回转支撑架拓扑优化模型及网络划分,如图1所示。为了减少单元数量加快优化速度,对回转支撑架实体进行了几何分割,并根据不同几何形状设置了单元尺寸,共得到46 021个单元180 648个节点。优化计算时考虑水平射击工况,施加射击后坐力时模拟轴承载荷的正弦曲线受力分布。

1.2 拓扑优化结果

以减少质量40%为目标,以材料刚强度为边界约束条件,回转支撑架拓扑优化经过21次计算后迭代收敛,拓扑优化结果最佳材料分布如图2所示,图中为保留部分。可以根据材料的分布情况对回转支撑架结构进行合理改进。

1.3 拓扑优化结构改进

根据上述拓扑优化结果,回转支撑架可去除材料的部分主要为两侧板及底板,其中侧板可以用掏空加筋的方式来设计,底板减小其厚度并加大中间开孔尺寸,从而使材料分布更加合理。

图1 拓扑优化模型及网格划分Fig.1 Topological optimal model and mesh generation

图2 回转支撑架最佳材料分布Fig.2 Optimized material distribution of rotary support frame

根据图2,在出现材料堆积的部位加肋,而在无材料的地方开孔或改为薄板,建立回转支撑架的新结构,如图3所示。

图3 回转支撑架拓扑优化结构改进Fig.3 Topological optimal structural improvement ofrotary support frame

2 结构优化设计

2.1 初始分析计算

运用PRO/E软件的MECHANICA模块[4],对回转支撑架拓扑优化改进结构进行初始分析计算,结果如表1所列。

表1 回转支撑架初始计算

分析表1可知,此回转支撑架刚强度有较大余量,有必要对其进行参数化结构优化设计。

2.2 敏感度分析

敏感度分析是一种定量分析工具,研究设计参数对模型性能的影响情况。敏感度分析分为局部敏感度分析和全局敏感度分析[5]。

(1)局部敏感度分析 局部敏感度分析是对模型参数的动态变化过程进行分析,以研究参数对模型性能的影响情况,即研究模型特定变化对参数变化的灵敏度。同时,可显示特定设计参数的改变是否对研究目标有较大的影响,从而缩小研究范围[6]。

根据回转支撑架拓扑优化结果,对拓扑优化后的结构进行参数化设置,并分别分析各参数对回转支撑架性能的影响,最大主应力与各参数局部敏感度如图4所示。

由图4可知,回转支撑架的最大主应力随底板厚度(图4(a))的增大而减小,随底板中心开孔直径(图4(d))、左侧板去除材料深度(图4(b))及右侧板去除材料深度(图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选择一个或多个在一定范围内变化的模型参数进行分析,并以图形方式显示研究目标随着设计参数变化的情况。进行全局敏感度分析,可以确定参数对模型某一性能的整体影响,尤其是参数在变化过程中可能引起的突变。回转支撑最大主应力与各参数关系如图5所示,最大变形与各参数关系如图6所示。

由计算可知,所选各尺寸参数变化对回转支撑架最大主应力及变形都有不同程度的影响,可作为优化设计的主要设计参数,并且在全局优化过程中出现了最大主应力和最大变形的突变拐点[7],此拐点附近区域正是优化设计要寻找的优化区域,区域寻找为回转支撑架结构尺寸的优化设计奠定了基础。

图4 最大主应力与各参数局部敏感度曲线Fig.4 Local sensitivity curves of maximum principal stress and each parameter

图5 最大主应力与各参数关系曲线Fig.5 Relationship curves of maximum principal stress and each parameter

图6 最大变形与各参数关系曲线Fig.6 Relationship curves of maximum deformation and each parameter

2.3 结构尺寸优化设计

通过上述回转支撑架结构尺寸的敏感度分析,定义优化设计变量及其优化范围,如表2所列。

表2 优化设计变量及优化范围

根据设计要求及目的,建立以回转支撑架总质量最小化为目标、以最大主应力满足强度及最大变形满足刚度要求为约束条件的回转支撑架结构尺寸优化设计模型。其中目标函数为

Min∶f(X)=M,

设计变量为

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

约束条件为

g1(X)=σ≤[σx]=290 MPa,

g2(X)=s≤2.5 mm,

其中:M为总质量;σ为最大主应力(MPa);s为最大变形量(mm)。

此问题是一个有约束的非线性最优化问题,运行优化设计研究,对优化模型进行求解,结果如表3所列。

表3 优化设计计算结果

2.4 尺寸优化结构改进

根据上述回转支撑架结构尺寸优化设计结果,为便于整体结构设计及工件的生产加工,对优化结果进行圆整,取d3=18 mm,d6=162 mm,d52=89 mm,d60=89 mm,建立回转支撑架的新结构,如图7所示。

图7 回转支撑架的改进结构Fig.7 Improved structure of rotary support frame

2.5 优化后分析计算

对回转支撑架参数化结构优化设计后的改进结构进行刚强度及质量分析计算,结果如表4所列。

由表4可知,优化后的回转支撑架强度比优化前减少约130%,变形增大约2.6倍,但仍满足整体刚强度要求,并且总质量减小约51%。

表4 回转支撑架优化后分析计算

3 结语

通过对某二自由度回转支撑架进行拓扑优化,得到了架体的最佳材料分配方案,对主要参数进行敏感度分析,找到了结构参数优化的敏感区域,建立了以质量最小化为目标、以主要敏感参数为设计变量、以满足刚强度要求为约束的回转支撑架结构优化模型,通过对模型的优化求解,得到了回转支撑架的最优化结构,并对优化前后的刚强度及质量进行了对比,结果表明优化设计后的回转支撑架在减小总质量的同时具有较好的刚强度。

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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.[朱延飞,王君.某二自由度回转支撑架拓扑优化设计[J].甘肃科学学报,2016,28(6):42-45,57.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.009.

2015-04-22;

2015-07-15.

国防基础科研计划资助(A0820132003).

朱延飞(1979-),男,河南南阳人,硕士,工程师,研究方向为自动武器设计.E-mail:zhuyanfei0604@126.com.

TH122

A

1004-0366(2016)06-0042-05