環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1.云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,云南昆明,650217；2.昆明學(xué)院自動(dòng)控制與機(jī)械工程學(xué)院，650217）

環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄒艷紅1,沈明秀2

（1.云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,云南昆明,650217；2.昆明學(xué)院自動(dòng)控制與機(jī)械工程學(xué)院，650217）

在水下航行體大段聯(lián)接中，環(huán)箍連接已經(jīng)取代了螺釘聯(lián)接，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。利用ADPL語(yǔ)言對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元模型，在應(yīng)用過(guò)程中為提高該連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,要嚴(yán)格操作程序，堅(jiān)持采用環(huán)箍徑向和軸向尺為設(shè)計(jì)變量,把結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比作為應(yīng)用的目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，科學(xué)應(yīng)用一階優(yōu)化法進(jìn)行求解，通過(guò)優(yōu)化，結(jié)果表明，拉伸載荷下結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力較優(yōu)化前降低15.17%，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)較優(yōu)化前有效的提高17.8%，基本實(shí)現(xiàn)了環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中精確計(jì)算代替近似計(jì)算，用優(yōu)化設(shè)計(jì)代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

環(huán)箍連接結(jié)構(gòu);有限元模型;優(yōu)化設(shè)計(jì);關(guān)鍵尺寸

0 引言

環(huán)箍連接具有連接可靠、裝卸方便等顯著的優(yōu)點(diǎn)，而且在應(yīng)用中還具有連接外表面光順、結(jié)構(gòu)緊湊、減小阻力、降低噪聲等特點(diǎn)，憑借其顯著的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，目前環(huán)箍連接已被廣泛應(yīng)用于水下航行體等水下部件的連接。一般的環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)由被連接件以及環(huán)箍組成。從物理學(xué)力學(xué)模型角度看，環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)可以說(shuō)是力學(xué)中典型的面一面摩擦接觸組合連接結(jié)構(gòu)形式，對(duì)此結(jié)構(gòu)的優(yōu)化基本上可以歸為含接觸問(wèn)題的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

1.1 環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型建立

鑒定研究的優(yōu)化結(jié)果是否可用，主要取決于分析者對(duì)設(shè)計(jì)變量的選取以及目標(biāo)函數(shù)的定義情況。此次研究的目的主要是為了降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，有效的提高環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，科學(xué)的利用拉伸載荷作用下環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)各件的受力特征，科學(xué)且精準(zhǔn)的確定結(jié)構(gòu)中各件采用的強(qiáng)度準(zhǔn)則，根據(jù)實(shí)際需要有效的確定各件的安全系數(shù)，為了確保安全和科學(xué)應(yīng)用，在確定安全系統(tǒng)是必須科學(xué)合理，以確保連接結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)最大化。在實(shí)際應(yīng)用中一般優(yōu)化要求目標(biāo)函數(shù)取極小值因此文中以安全系數(shù)的倒數(shù)，通常是應(yīng)力比為目標(biāo)函數(shù)。環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)應(yīng)用中由于局部彎矩作用導(dǎo)致兩環(huán)形槽拐角處的應(yīng)力值較大，所以在應(yīng)用中一般都需要科學(xué)定義，對(duì)于環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)宜采用第四強(qiáng)度準(zhǔn)則，可定義應(yīng)力比：

目標(biāo)函數(shù)取式(1)所定義應(yīng)力比的最大者

優(yōu)化過(guò)程為在設(shè)計(jì)變量可行性空間域內(nèi)使式(4.2)定義的目標(biāo)函數(shù)取極小值，因此，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型便可表述為：

由式(3)可見(jiàn)，研究中的優(yōu)化屬于約束多維優(yōu)化問(wèn)題，根據(jù)應(yīng)用情況基本為設(shè)計(jì)變量，其約束僅為設(shè)計(jì)變量的幾何約束。

1.2 環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型

由于單向拉伸載荷作用下環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)的承載和幾何模型具有對(duì)稱(chēng)性，所以分析時(shí)將環(huán)箍腔表面視為目標(biāo)面，將環(huán)箍斜面視為接觸面，同時(shí)考慮A、B連接件之間的接觸關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)中構(gòu)建有限元模型必須采用參數(shù)化建模，考慮的設(shè)計(jì)變量為描述環(huán)箍帶厚度及徑向位置的量a1 和a2 ，描述環(huán)箍帶寬度及軸向位置的量b1 和b2 ，描述兩接觸面的斜角c1和c2，以及環(huán)箍腔內(nèi)表面的倒角半徑r1 和r1，設(shè)計(jì)變量如圖2。環(huán)箍承受的單向拉力為18 kN，均勻分布在A件的截面處；而軸向位移約束于B件截面。

圖2 環(huán)箍的設(shè)計(jì)變量

因?yàn)椋?jì)算中用到的材料參數(shù)見(jiàn)表1，故按表1所示的環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)主要參數(shù)及其它幾何參數(shù)建立有限元參數(shù)化模型如圖2所示;環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)要優(yōu)化的參數(shù)如表2。

2 優(yōu)化結(jié)果及分析

2.1 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化收斂誤差 取0.001，求解經(jīng)12次循環(huán)后退出，得到最優(yōu)解。表3 提供出的優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量以及目標(biāo)函數(shù)的變化情況，優(yōu)化前后的環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)、環(huán)箍的等效應(yīng)力場(chǎng)分布如圖4、圖5所示。

優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)尺寸及相應(yīng)結(jié)果的比較如表2所列：

3 結(jié)論

由于環(huán)箍連接在應(yīng)用中起著關(guān)鍵的支撐和傳遞載荷的作用，其連接處如果一旦發(fā)生破壞或失效，那么必然會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，因此關(guān)于環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得非常重要。

從上述研究分析可以看出，目前以表征環(huán)箍帶厚度及徑向位置的量a1 和a2 ，表征環(huán)箍帶寬度及軸向位置的量b1 和b2 ，表征兩接觸面的斜角c1和c2，根據(jù)研究給出方案。結(jié)果表明，環(huán)箍的優(yōu)化前為296.1 MPa，優(yōu)化后分別為256.6 MPa ，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布較優(yōu)化前更為均勻。結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力比較優(yōu)化前降低15.17% ,安全系數(shù)較優(yōu)化前提高17.8%。因此，優(yōu)化后環(huán)箍連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度增強(qiáng)。實(shí)踐說(shuō)明結(jié)合有限元法和優(yōu)化方法對(duì)復(fù)雜連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

[1] 黃鵬，楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元優(yōu)化設(shè)計(jì),機(jī)械強(qiáng)度，2004

[2] 李世蕓,ANSYS9.0基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)例. 北京：中國(guó)科學(xué)文化出版社，2005

[3] 徐秉業(yè)、劉信聲，結(jié)構(gòu)塑性極限分析[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)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