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基于有限元分析的某航天装置人机交互式结构改进设计

2023-12-25刘磊沈宁顾寅谭映军董睿胡伟

环境技术 2023年11期
关键词:探孔初始模型基频

刘磊,沈宁,顾寅,谭映军,董睿,胡伟

(中国航天员科研训练中心,北京 100094)

引言

随着我国航天技术的发展,航天器朝着超高速航行、深空探测、多任务指向的方向发展, 航天器面临的发射和运行环境也更加恶劣[1]。航天器在发射过程中承受起飞、分离和入轨等各种操作引起的动力学环境载荷,因而在航天产品的设计过程中,振动是考虑的重要因素[2],约40 %的飞行器事故是由振动引起的[3]。在航天产品研制过程中除了要满足功能需求外,产品的结构设计也是衡量产品设计成败的关键,在振动环境考核中结构模态尤其是基频是关注的重要指标[4,5]。

传统航天产品设计过程往往是依据已有经验进行设计,再进行试验,未通过试验考核的产品返回重新设计,这种改进过程往往是凭经验进行,具有一定盲目性,可能会造成改进后产品仍然不能满足要求而需要反复设计与试验,研制周期长,研制成本高,极大的浪费了设计和生产资源。

航天工程产品结构复杂性越来越高,同时对其结构可靠性以及成本和时效要求也越来越高,使得传统依赖经验设计及试验的产品结构设计方法渐渐不能满足需求,设计师需要一种准确性好、设计效率高的方法来代替传统的耗时、耗材的产品设计方法。各种计算机辅助设计软件的相继问世,使得产品设计更加精细、准确;有限元理论的发展使得产品结构分析变得简单、高效。

有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟的一种方法,其通过利用较简单问题代替复杂问题后进行求解。有限元分析的主要手段是将求解域视为许多小的有限单元互联组成,对每个单元假定合适的近似解,然后推导求解这个总域的约束条件,从而得到问题的近似解。有限元分析作为结构设计一个有效工具,在航天产品设计中正在发挥越来越重要的作用,在产品的设计阶段通过有限元分析可以获得结构的模态等结果,同时有限元分析得到的诸如模态振型图等具有直观易于解读的特点,通过对航天产品有限元分析结果进行人工判读并改进设计,可以避免仅依赖经验及试验进行结构改进的传统设计的盲目性,可以降低产品多次投产的成本,缩短研发周期。

1 基于有限元分析的人机交互式结构改进设计流程

本文提出一种基于有限元分析的人机交互式[5]结构改进设计流程,可以充分发挥人机合作的优势,结构改进设计过程主要为基于计算机完成有限元建模、有限元分析,由人工完成结果判读、改进设计循环迭代的人机交互过程,流程图如图1 所示。

图1 基于有限元分析的人机交互式结构改进设计流程

利用计算机复杂产品建模以及运算能力的优势对复杂结构进行有限元建模与有限元分析获得结构模态等仿真结果,利用人工研判精准的优势对有限元分析结果进行判读可有效识别产品设计薄弱位置,利用人工改进方向明确的优势,可综合考虑设计中制造、安装等方面要求的需求,针对结构的薄弱位置对结构进行强指向性的改进设计,最终满足产品设计要求。

2 应用实例

2.1 初始模型

某航天装置有多个单机通过方形支架组合而成,其设计指标要求结构基频不小于100 Hz,在给定正弦激励条件下某重要单机的探针与探孔最大相对位移不超过0.5 mm。其中结构基频不小于100 Hz 是为了避免装置在正弦振动试验时发生共振而造成结构响应有较大程度的放大。而探针与探孔最大相对位移如果超过0.5 mm,则进行正弦振动试验时容易造成探针与探孔发生挤压而使得探针发生变形而损伤。对初始模型进行有限元建模,有限元模型如图2 所示。

图2 初始模型有限元模型图

对初始模型进行有限元分析,结构基频84 Hz,振型为整体结构沿X 向摆动,如图3 所示,不能满足基频不小于100 Hz 的要求。

图3 初始模型第一阶振型图

初始模型给定正弦激励下探针与探孔位移频率曲线的关系如图4 所示,在84 Hz 附近探针与探孔的最大相对位移达到1.57 mm,远超设计需求中提出的探针与探孔最大相对位移不超过0.5 mm 的要求,经人工研判,需要对装置进行改进设计。

图4 初始模型探针与探孔相对位移图

2.2 改进设计过程

根据图1 流程对结构进行改进设计,对初始模型进行有限元建模与有限元分析,通过对初始模型的模态结果及正弦响应分析结果进行人工判读,判断结构主要薄弱位置为支架X 向摆动刚度不足,然后人工对结构进行改进设计,更新实体模型,重新进行有限元建模和有限元分析,对改进后模型的分析结果进行人工判读,如果结果仍无法满足要求的话再循环迭代设计,直至最终满足设计要求。经过多轮改进,考虑到制造、安装等方面约束,主要将左、右支架顶部高度降低并重新设计,对连接支架进行加强,对部分连接部件改进构型,以达到提高支架X 向摆动刚度的目的,改进后模型有限元模型如图5 所示。

图5 改进后模型有限元模型图

2.3 最终模型

改进设计后模型的有限元分析结果经过人工结果判读可以满足设计要求,因此定为最终模型。最终模型的结构基频为117 Hz(相比于改进前提高39 %),振型为整体结构沿X 向摆动,如图6 所示,能满足基频不小于100 Hz 的要求。

图6 最终模型第一阶振型图

最终模型给定正弦激励下探针与探孔位移频率曲线图如图7 所示,在100 Hz 附近探针与探孔最大相对位移为0.33 mm(相比于改进前降低79 %),满足探针与探孔最大相对位移不超过0.5 mm 的要求。

图7 最终模型探针与探孔相对位移图

2.4 试验验证

最终模型经过人工判读可以满足设计指标要求,因此按照最终模型加工生产得到最终产品。对实物装置通过正弦振动试验对其进行力学环境考核,装置顺利通过考核结构无损坏。对试验后装置的某关键单机探针进行损伤检测,结果显示探针结构无损伤,表明在实际正弦激励下探针与探孔最大相对位移能满足要求,验证了仿真结果的有效性。

3 结论与展望

有限元分析在航天产品的设计阶段发挥越来越重要的作用,本文基于有限元分析的人机交互结构改进设计流程可以充分发挥人机合作的优势,在产品改进设计阶段可以避免改进方向的盲目性同时兼顾可以考虑制造、安装等方面要求,针对结构的薄弱位置对结构进行强指向性的改进设计,最终满足产品设计要求。

本文采取该流程对某航天装置进行改进设计,改进设计后该装置基频达到117 Hz(相比于改进前提高39 %),给定正弦激励下探针与探孔最大相对位移仅为0.33 mm(相比于改进前降低79 %),满足设计要求,改进后装置通过了试验考核。本文某航天装置的改进设计验证了该流程合理性和有效性,达到了节省研制周期与成本的目的,可以对类似产品的改进设计起到一定的参考。

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