基于HyperWorks的回轉臺承載框架結構分析與優化

曲明 閆永昌 張國友 董國慶 高靜 李盛文

摘要：本文論述了HyperWorks的RADIOSS解算器和OptiStruct優化模塊在風洞架車的回轉臺承載框架結構分析與優化中的應用，使用RADIOSS對初始設計方案進行分析，將計算得到的性能參數與實驗要求進行比較，進而采用OptiStruct尋找到載荷傳遞路徑，對結構進行優化，在同時滿足多工況使用需求下，實現了輕量化設計。

關鍵詞：承載框架;OptiStruct;拓撲優化;尺寸優化

引言

FL-9風洞是一座高性能的高雷諾數的低速風洞，為滿足在FL-9風洞進行滑流試驗所需的大載荷要求，需要配備一臺新的架車，回轉臺承載框架作為該架車的重要組成部分。由于載荷情況復雜，采用理論計算找到最佳設計方案的方法均不適合，因此有必要采用優化設計的方法尋找結構的載荷傳遞路徑以達到材料的高效利用。本文以回轉臺承載框架為研究對象，采用OptiStruct優化模塊對結構進行了優化設計，使得結構在滿足多工況使用需求情況下，實現了輕量化設計。

1.初始設計方案分析

回轉臺承載框架位于架車轉盤的底部，是模型及支撐機構等的承載部件，同時受到氣動載荷的作用，上法蘭面與車體固定連接，采用HyperWorks的RADIOSS解算器進行線性靜力分析計算，可知承載框架的各組成部分在設計載荷作用下的最大位移為0.07mm，單元最大應力為21.83MPa，質量14.6噸，由此可見具有較大的優化空間。

1.1?有限元模型

為進一步進行分析優化，將結構簡化為殼單元建立有限元模型，有限元模型如圖2所示，模型共計15978個節點，15734個四邊形單元，均采用四邊形殼體單元，材料采用Q235。

圖2?回轉臺承載框架有限元模型

1.2?載荷工況及邊界條件

1.2.1?載荷工況

氣動載荷等效作用于天平校心，載重約為7噸，載荷的施加通過多點約束實現，因為還要考慮到振動特性，所以除了靜力分析工況外，還需要進行模態分析。

1.2.2?邊界條件

由于上法蘭面固定連接，所以約束該法蘭面所有節點的x，y，z平移及轉動自由度。

2.拓撲優化設計

2.1?優化要素

2.1.1優化設計變量

將外形一致的法蘭作為非設計變量，其余組成部分均設置為設計變量。

2.1.2優化約束

應力約束：小于120MPa;

固有頻率約束：第7階固有頻率小于496Hz;

體積分數約束：體積分數小于0.3;

對稱約束：考慮到工藝性，采用對稱約束來強制優化結果對稱;

2.1.3優化目標：在滿足靜力工況和模態工況條件下，靜態柔度最小。

風洞在70m/s風速下的激振頻率為709.28?Hz，所以激振頻率高低范圍按照0.7倍及1.4倍計算，應為496?Hz～993?Hz，由于設備固有頻率較低，且由于模態主要由前幾階模態組成，因此固有頻率優化約束設置為第7階固有頻率小于496?Hz。

2.2?優化結果

拓撲優化結果如圖3所示，從圖中可觀察最佳材料分布及載荷傳遞路徑，單元密度為1的區域即紅色區域材料很重要，需要保留，單元密度為0的區域即藍色區域材料不重要，可以去除，從而達到材料的高效利用。

圖3?拓撲優化結果

3.尺寸優化設計

經過拓撲優化后，承載框架的最佳結構形式已經確定，按照載荷傳遞路徑進行針對性加強后依然重達11.434噸，因此在拓撲優化基礎上需要采用尺寸優化設計方法對于殼體厚度進行優化以實現進一步減重目的。

3.1?優化要素

3.1.1優化設計變量

除與供氣系統的設備接口尺寸保持不變外，其余22組殼體厚度均設置為設計變量。

3.1.2優化約束

考慮靜力及模態兩個載荷工況，由于尺寸優化無法將應變能作為優化目標，所以施加如下約束：

應力約束：小于120MPa;

位移約束：所有節點位移小于0.5mm;

固有頻率約束：第7階固有頻率小于496Hz;

對稱約束：考慮到工藝性，采用對稱約束來強制優化結果對稱;

3.1.3優化目標：在滿足靜力工況和模態工況情況下，體積最小。

3.2?優化結果

計算可知最大位移為0.488mm，最大應力為61.09?MPa，第7階固有頻率約為157Hz，由此也證明了分析的準確性。

4.結論

采用RADIOSS解算器對回轉臺承載框架初始設計方案進行計算，經過分析知該結構具有較大優化空間，首先在概念設計階段采用OptiStruct進行拓撲優化，找到載荷傳遞路徑，將薄弱部分進行加強，在結構形式確定后的詳細設計階段，進一步采用OptiStruct進行尺寸優化，最終采用RADIOSS解算器對改進結構進行了分析驗證，結構的最終優化重量為7.552噸，減重約48%，由此可見減重效果明顯，實現了結構的輕量化設計。

參考文獻：

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