OptiStruct在風(fēng)洞設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

曲明 閆永昌 張國(guó)友 董國(guó)慶 高靜 李盛文

摘要：本文應(yīng)用HyperWoks的集成模塊OptiStruct對(duì)風(fēng)洞架車轉(zhuǎn)盤的回轉(zhuǎn)臺(tái)面在給定位移和應(yīng)力約束條件下以體積作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，首先通過拓?fù)鋬?yōu)化明晰了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，然后通過尺寸優(yōu)化進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后減重達(dá)到27%。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)臺(tái)面;OptiStruct;拓?fù)鋬?yōu)化;尺寸優(yōu)化

Abstract

OptiStruct?integrated?module?using?HyperWoks?rotary?table?to?the?wind?tunnel?car?turntable?stress?constraint?conditions?in?volume?as?the?optimization?objective?is?the?lightweight?design?for?location?shift?and，?first?by?the?topology?optimization?the?structure?design，?and?then?through?the?size?optimization?of?the?details?of?the?optimization?design，?the?optimized?structure?weight?loss?reached?27%.

Keywords：?rotary?table;?OptiStruct;?topology?optimization;?size?optimization

引言

風(fēng)洞架車轉(zhuǎn)盤的回轉(zhuǎn)臺(tái)面是架車整體結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，天平、模型、支撐機(jī)構(gòu)的重量以及氣動(dòng)載荷等均直接或間接作用于此件上，由于氣動(dòng)載荷過大且六元載荷相對(duì)復(fù)雜，因此無法從力學(xué)簡(jiǎn)單理論計(jì)算中評(píng)估零件的結(jié)構(gòu)形式，所以此件適用優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)以找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)。HyperWoks的集成模塊OptiStruct具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，本文應(yīng)用OptiStruct對(duì)某風(fēng)洞架車轉(zhuǎn)盤的回轉(zhuǎn)臺(tái)面進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化，在滿足剛強(qiáng)度要求的前提下，零部件的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化以及輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.拓?fù)鋬?yōu)化

1.1?有限元模型的建立

回轉(zhuǎn)臺(tái)面外部空間與回轉(zhuǎn)軸承固定連接，內(nèi)部空間與供氣系統(tǒng)連接，這兩部分是不可設(shè)計(jì)空間，可設(shè)計(jì)空間是中間區(qū)域，為便于施加結(jié)構(gòu)優(yōu)化的邊界條件，將模型分為三部分，建立的有限元模型如圖1所示，材料采用Q235。

圖1?回轉(zhuǎn)臺(tái)面有限元模型

氣動(dòng)載荷等效作用于天平校心，載重約為7噸，天平校心位于回轉(zhuǎn)臺(tái)面中心上方525mm處，載荷的施加通過MPC實(shí)現(xiàn)。

1.2?拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及分析

該模型的拓?fù)鋬?yōu)化約束函數(shù)有兩個(gè)，第一個(gè)約束函數(shù)是模型所有節(jié)點(diǎn)的位移小于1mm，第二個(gè)約束函數(shù)是所有單元的最大應(yīng)力小于120MPa，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是模型可設(shè)計(jì)區(qū)域的體積最小，拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出紅色區(qū)域及綠色區(qū)域相對(duì)重要，這些區(qū)域材料需要保留，深藍(lán)色區(qū)域材料的力學(xué)貢獻(xiàn)較少，可以去除，因此回轉(zhuǎn)臺(tái)面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式應(yīng)該是環(huán)形對(duì)稱的鏈條式的結(jié)構(gòu)，最大位移0.84mm，最大應(yīng)力60.28?MPa。

圖2?拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

2.尺寸優(yōu)化

2.1?結(jié)構(gòu)改進(jìn)

依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將不重要區(qū)域的材料去除，在重要區(qū)域設(shè)置環(huán)筋和立筋，通過計(jì)算可知可知改進(jìn)結(jié)構(gòu)的最大位移為1mm，最大應(yīng)力為74.35?MPa。

2.2?尺寸優(yōu)化結(jié)果及分析

結(jié)構(gòu)形式確定后，采用尺寸優(yōu)化方法來確定板型零件的厚度分布，?將結(jié)構(gòu)各個(gè)板面的厚度作為尺寸優(yōu)化變量，考慮到實(shí)際生產(chǎn)情況，將立筋設(shè)置為關(guān)聯(lián)變量，即10組立筋的厚度一致，約束函數(shù)有兩個(gè)，第一個(gè)約束函數(shù)是模型所有節(jié)點(diǎn)的位移小于1mm，第二個(gè)約束函數(shù)是所有單元的最大應(yīng)力小于120MPa，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是模型可設(shè)計(jì)區(qū)域的體積最小，優(yōu)化后位移約為1mm，應(yīng)力約為80MPa，位移云圖如圖3所示。

圖3?位移云圖

3.優(yōu)化結(jié)果及分析

經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化最終得到的模型減重情況如表1所示，通過對(duì)比，可見減重效果明顯，結(jié)構(gòu)更加合理，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力均能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

表1?優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較

優(yōu)化前質(zhì)量

優(yōu)化后質(zhì)量

減重質(zhì)量

減重百分比

1048.6?kg

766.7?kg

281.9?kg

27%

4.結(jié)論

本文基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化輔助設(shè)計(jì)方法對(duì)風(fēng)洞架車轉(zhuǎn)盤的回轉(zhuǎn)臺(tái)面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，借助HyperWoks的集成模塊OptiStruct對(duì)部件進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化及尺寸優(yōu)化，最終得到了新型的回轉(zhuǎn)臺(tái)面結(jié)構(gòu)，在滿足變形及應(yīng)力要求前提下，減重達(dá)27%，依據(jù)本文分析說明在載荷情況復(fù)雜，無法預(yù)知結(jié)構(gòu)形式情況下，拓?fù)鋬?yōu)化等設(shè)計(jì)方法具有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)驗(yàn)證了OptiStruct在風(fēng)洞設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的適用性和有效性。

參考文獻(xiàn)：

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