柴油機(jī)發(fā)電模塊運(yùn)輸?shù)鬃冃驮O(shè)計(jì)及優(yōu)化

楊博，戎志祥，潘熙希

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所 a.動(dòng)力裝置事業(yè)部；b.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200090)

柴油機(jī)發(fā)電模塊運(yùn)輸?shù)鬃ǔ８鶕?jù)動(dòng)力模塊外形結(jié)構(gòu)和安裝形式進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中需要考慮的因素較多，包括客戶需求、安全性、經(jīng)濟(jì)成本、生產(chǎn)工藝，以及運(yùn)輸條件等。由于設(shè)計(jì)很難一次性滿足多目標(biāo)需求(如校核后發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo))，再加上設(shè)計(jì)輸入變更，通常需要反復(fù)修改；不同動(dòng)力模塊的外形結(jié)構(gòu)、安裝方式相似，運(yùn)輸?shù)鬃嗍欠抡漳感瓦\(yùn)輸?shù)鬃O(shè)計(jì)得到的，重復(fù)工作較多。因此，運(yùn)輸?shù)鬃脑O(shè)計(jì)效率存在提升空間。另一方面，運(yùn)輸?shù)鬃葯C(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中需要考慮客戶需求、安全性，以及經(jīng)濟(jì)成本等多因素，設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)不同，如何量化、兼容各個(gè)因素是設(shè)計(jì)過程的難點(diǎn)。對(duì)于此類問題，一般通過多目標(biāo)優(yōu)化解決，目前用于多目標(biāo)優(yōu)化的智能算法，如粒子群算法[1]、遺傳算法[2]等主要適用于優(yōu)化變量和目標(biāo)較復(fù)雜、目標(biāo)權(quán)重難以量化的情況。運(yùn)輸?shù)鬃Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，優(yōu)化變量和目標(biāo)相對(duì)較少，智能優(yōu)化算法的優(yōu)勢(shì)不明顯，缺點(diǎn)相對(duì)突出，比如，缺少對(duì)解的優(yōu)異性的論證等[3]。因此，如何選擇合適的算法實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)鬃O(shè)計(jì)過程中的多目標(biāo)兼容，是運(yùn)輸?shù)鬃O(shè)計(jì)過程中需要解決的問題。為此，分析通過運(yùn)輸?shù)鬃鶇?shù)化建模和變型設(shè)計(jì)，基于Inventor API(application program interface)開發(fā)變型設(shè)計(jì)程序，減少設(shè)計(jì)過程中的手動(dòng)計(jì)算和操作，提升設(shè)計(jì)效率；建立滿意度與安全性(最大應(yīng)力)、經(jīng)濟(jì)成本(質(zhì)量)、運(yùn)輸條件(高度)之間的函數(shù)模型，通過開展運(yùn)輸?shù)鬃鶟M意度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)的兼容。

1 變型設(shè)計(jì)及多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)

模塊化變型設(shè)計(jì)和參數(shù)化變型設(shè)計(jì)是較為常見的兩種變型設(shè)計(jì)方法[4]，前者適用于復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品，主要是對(duì)子模塊的增加、刪除、替換，后者通過參數(shù)化建模對(duì)產(chǎn)品尺寸、配合關(guān)系進(jìn)行修改，側(cè)重于產(chǎn)品細(xì)節(jié)。考慮到運(yùn)輸?shù)鬃Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用參數(shù)化變型設(shè)計(jì)方法。

運(yùn)輸?shù)鬃脑O(shè)計(jì)過程是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化過程。傳統(tǒng)算法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題進(jìn)行求解，算法結(jié)構(gòu)清晰、理論可靠，但不適用于復(fù)雜問題；智能算法如蟻群算法、遺傳算法等獲得的是帕累托最優(yōu)解，但缺少對(duì)解的優(yōu)異性的論證，適用于目標(biāo)較多的問題。客戶評(píng)判方案質(zhì)量的依據(jù)往往是滿意性[5]，部分學(xué)者將該理論用于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)[6-7]，通過建立滿意度模型將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)闈M意度單目標(biāo)問題，從而進(jìn)一步開展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。基于該方法，從客戶滿意度角度出發(fā)，建立優(yōu)化目標(biāo)與滿意度之間的函數(shù)關(guān)系，通過開展?jié)M意度優(yōu)化研究實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)輸?shù)鬃膬?yōu)化設(shè)計(jì)。

2 客戶需求

動(dòng)力模塊外形、尺寸、安裝條件見圖1。該模塊主要由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、彈性聯(lián)軸器、輔助設(shè)備、自由端管系構(gòu)成，模塊長、寬、高約9 000 mm×2 250 mm×4 100 mm，質(zhì)量約88 t，需要針對(duì)模塊設(shè)計(jì)一款運(yùn)輸?shù)鬃＝Y(jié)合運(yùn)輸條件、生產(chǎn)工藝、安全性等，整理客戶需求見表1。

圖1 動(dòng)力模塊模型

表1 客戶需求表

3 參數(shù)化變型設(shè)計(jì)

以典型運(yùn)輸?shù)鬃鶠槟感停贗nventor API進(jìn)行參數(shù)化建模，采用Visual Basic語言開展變型設(shè)計(jì)，結(jié)合ANSYS有限元分析軟件，評(píng)估變型設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足客戶需求。

3.1 運(yùn)輸?shù)鬃感?/h3>

為典型動(dòng)力模塊的外形結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 典型動(dòng)力模塊外形

動(dòng)力模塊縱向剖面為倒“凸”形，其中凸肩為隔振器安裝面，通過該安裝面連接運(yùn)輸?shù)鬃Ｄ承蛧a(chǎn)動(dòng)力模塊的運(yùn)輸?shù)鬃妶D3，主體材料采用Q235，該型運(yùn)輸?shù)鬃淖畲筇攸c(diǎn)在于：主體采用H型鋼，降低了加工周期和難度；中間肘板采用緊湊式大圓角設(shè)計(jì)，側(cè)向承載能力較強(qiáng)。以該運(yùn)輸?shù)鬃鶠槟感汀?/p>

圖3 某型動(dòng)力模塊運(yùn)輸?shù)鬃?/p>

3.2 變型設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)

首先對(duì)運(yùn)輸?shù)鬃感瓦M(jìn)行簡(jiǎn)化并梳理零部件，考慮到吊耳、連接螺栓與運(yùn)輸?shù)鬃渌Y(jié)構(gòu)件相關(guān)性較低，變型設(shè)計(jì)中暫不予考慮。母型的部分零部件見表2。根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度將零部件分為標(biāo)準(zhǔn)件、相似件，標(biāo)準(zhǔn)件根據(jù)國家、行業(yè)等標(biāo)準(zhǔn)選用，或簡(jiǎn)單修改后使用，幾乎不含可變參數(shù)；相似件功能相近，形狀、尺寸略有差異，可變參數(shù)較多，是變型設(shè)計(jì)的主要對(duì)象。對(duì)于零部件的尺寸參數(shù)，根據(jù)各參數(shù)的變化情況將尺寸參數(shù)分為不變參數(shù)、可變參數(shù)及導(dǎo)出參數(shù)[8]。不變參數(shù)在零部件的變型設(shè)計(jì)中保持不變，比如，支撐面板腰孔的長寬尺寸；可變參數(shù)是指變型設(shè)計(jì)過程中可以改變的參數(shù)，是驅(qū)動(dòng)變型設(shè)計(jì)的核心，比如H型鋼型號(hào)、肘板厚度；導(dǎo)出參數(shù)是指通過其他參數(shù)計(jì)算出來的參數(shù)，如運(yùn)輸?shù)鬃叨取?/p>

表2 運(yùn)輸?shù)鬃感土悴考?部分)

在Inventor中完成母型零部件和客戶動(dòng)力模塊的參數(shù)化建模，采用VB語言基于Inventor API接口開展變型設(shè)計(jì)[9]，設(shè)計(jì)流程見圖4。

圖4 運(yùn)輸?shù)鬃冃驮O(shè)計(jì)流程

根據(jù)型材標(biāo)準(zhǔn)編制型材數(shù)據(jù)庫文檔，通過參數(shù)化建模和型材選用算法實(shí)現(xiàn)變型設(shè)計(jì)過程中型材的自動(dòng)選型；根據(jù)動(dòng)力模塊外形尺寸、隔振器位置以及客戶需求，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)支撐部件、肘板的自動(dòng)設(shè)計(jì)和定位，結(jié)合iMate功能[10]實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)鬃膮?shù)化裝配；自動(dòng)讀入動(dòng)力模塊模型檢查干涉情況，最后經(jīng)強(qiáng)度校核形成多組變型設(shè)計(jì)方案。其中H型鋼的選用主要由公共底座凸肩深度、肘板高度、角鋼寬度決定，肘板長度、寬度由隔振器跨距、油底殼/發(fā)電機(jī)深度確定，肘板圓角直徑由油底殼深度、H型鋼寬度、吊裝落座精度等綜合確定。

3.3 變型結(jié)果分析

由變型設(shè)計(jì)獲得多組方案，選取其中3組典型的方案見圖5。主要可變參數(shù)以及底座高度、質(zhì)量等參數(shù)見表3。其中高度、質(zhì)量參數(shù)通過Inventor提取，最大應(yīng)力通過ANSYS求解獲得。ANSYS計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格劃分情況及邊界條件見圖6,其中主體采用六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸50 mm，運(yùn)輸?shù)鬃卤砻娼o定位移約束，動(dòng)力模塊重心位置添加質(zhì)點(diǎn)(90 t)并作用在運(yùn)輸?shù)鬃习惭b面，給定重力加速度(9.80 m/s2)和側(cè)向加速度(1.96 m/s2)。

圖5 運(yùn)輸?shù)鬃冃驮O(shè)計(jì)方案

表3 變型設(shè)計(jì)方案的主要參數(shù)

圖6 有限元計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

根據(jù)運(yùn)輸條件要求，運(yùn)輸?shù)鬃母叨炔粦?yīng)超過1 700 mm；對(duì)于Q235鋼，一般取安全系數(shù)1.25，則材料許用應(yīng)力為188 MPa；根據(jù)客戶需求，運(yùn)輸?shù)鬃|(zhì)量不超過6 t。根據(jù)表3，3組變型設(shè)計(jì)方案均滿足客戶需求。

4 基于滿意度的多目標(biāo)優(yōu)化

4.1 DOE計(jì)算及分析

對(duì)于運(yùn)輸?shù)鬃蛻糁饕P(guān)心運(yùn)輸條件、成本，以及安全性，從設(shè)計(jì)角度主要是考慮運(yùn)輸?shù)鬃母叨取①|(zhì)量和最大應(yīng)力，因此選取這三者作為優(yōu)化目標(biāo)；與之相關(guān)性較高的可變參數(shù)有H型鋼型號(hào)、角鋼型號(hào)、肘板厚度、肘板面板厚度、肘板襯板厚度，以及孔徑系數(shù)(對(duì)應(yīng)肘板開孔大小，孔徑系數(shù)為實(shí)際孔徑與母型孔徑之比)，因此將這6項(xiàng)可變參數(shù)作為優(yōu)化變量。優(yōu)化變量的取值范圍見表4。

表4 變量取值范圍

基于運(yùn)輸?shù)鬃鶇?shù)化變型設(shè)計(jì)方法，結(jié)合ANSYS Workbench開展DOE計(jì)算。優(yōu)化變量均取離散值，取值范圍較小，計(jì)算共486組，對(duì)所有組合下的運(yùn)輸?shù)鬃叨取①|(zhì)量、最大應(yīng)力進(jìn)行遍歷求解。優(yōu)化變量對(duì)各優(yōu)化目標(biāo)的影響見圖7，如圖7a)，1、2、3號(hào)H型鋼規(guī)格依次增大，相應(yīng)的運(yùn)輸?shù)鬃叨取①|(zhì)量依次增加，其中采用3號(hào)H型鋼比采用1號(hào)型鋼的底座重約35%，高約16%；如圖7b)，角鋼主要影響運(yùn)輸?shù)鬃淖畲髴?yīng)力，選用高規(guī)格角鋼在一定范圍內(nèi)可以提高運(yùn)輸?shù)鬃鶑?qiáng)度；如圖7c)，肘板厚度主要影響運(yùn)輸?shù)鬃淖畲髴?yīng)力，隨著肘板厚度增加，最大應(yīng)力有所降低，而質(zhì)量并不會(huì)增加很多；肘板襯板、肘板面板以及孔徑系數(shù)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響較小。因此運(yùn)輸?shù)鬃谧冃驮O(shè)計(jì)過程中，應(yīng)重點(diǎn)考慮H型鋼和角鋼的選型，以及肘板厚度的選擇。

圖7 優(yōu)化變量對(duì)各優(yōu)化目標(biāo)的影響

4.2 綜合滿意度函數(shù)構(gòu)建

對(duì)于理想的最好解與最差解已知的情況下，如果解空間和滿意度有某種函數(shù)關(guān)系，可以采用類線性函數(shù)[11]。根據(jù)客戶要求以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定高度、重量、最大應(yīng)力理想的最好解與最差解，與客戶交流，確定高度、重量、最大應(yīng)力與滿意度之間的函數(shù)關(guān)系，見圖8。

圖8 滿意度與各目標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系

高度方面，公共底座凸肩到公共底座底部距離約750 mm，因此運(yùn)輸?shù)鬃叨茸钚?50 mm，對(duì)應(yīng)高度最好解，客戶要求高度不超過1 700 mm，對(duì)應(yīng)最差解；運(yùn)輸?shù)鬃降停\(yùn)輸時(shí)車輛的通過性越好，因此滿意度-高度近似為線性函數(shù)。質(zhì)量方面，客戶要求運(yùn)輸?shù)鬃|(zhì)量不超過6 t，因此6 t對(duì)應(yīng)最差解；運(yùn)輸?shù)鬃|(zhì)量接近6 t時(shí)，滿意度變化較大，故滿意度-質(zhì)量采用拋物線函數(shù)近似。最大應(yīng)力方面，運(yùn)輸?shù)鬃饕惺芾瓑簯?yīng)力,根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》機(jī)架設(shè)計(jì)相關(guān)章節(jié)[12]，對(duì)于Q235材料，安全系數(shù)一般取1.2～2.0，折減系數(shù)取1.0～1.4，因此保守估計(jì)的材料許用應(yīng)力為235/2/1.4=84 MPa，因此84MPa對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力最好解，不保守估計(jì)的許用應(yīng)力為235/1.2/1=195 MPa，因此195 MPa對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力最差解；當(dāng)最大應(yīng)力接近195 MPa時(shí)，滿意度變化較大，故滿意度-最大應(yīng)力采用拋物線函數(shù)近似。

采用線性加權(quán)方法構(gòu)建綜合滿意度函數(shù)，考慮到客戶對(duì)安全性要求較高，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及公開文獻(xiàn)[13]，對(duì)高度、質(zhì)量，以及最大應(yīng)力滿意度的權(quán)重系數(shù)分別取0.2、0.3、0.5，綜合滿意度c表示為

c=0.2f(h)+0.3g(m)+0.5s(σ)

(1)

式中:f(h)為高度滿意度函數(shù)；h為高度(單位：mm)；g(m)為質(zhì)量滿意度函數(shù)；m為質(zhì)量(單位：kg)；s(σ)為最大應(yīng)力滿意度函數(shù)；σ為最大應(yīng)力(單位：MPa)。

4.3 滿意度優(yōu)化

根據(jù)式(1)以及DOE計(jì)算結(jié)果，不同變量組合下的綜合滿意度見圖9。

圖9 滿意度優(yōu)化結(jié)果

H型鋼的選取是綜合滿意度的重要影響因素，其中采用1號(hào)型鋼的運(yùn)輸?shù)鬃C合滿意度比采用3號(hào)型鋼的運(yùn)輸?shù)鬃骄呒s70%，主要是因?yàn)?號(hào)型鋼高度(850 mm)低于3號(hào)型鋼(1 000 mm)，質(zhì)量更輕，相應(yīng)的高度、質(zhì)量指標(biāo)更優(yōu)秀，側(cè)向載荷承載能力相對(duì)更強(qiáng)，因此運(yùn)輸?shù)鬃O(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量選取小規(guī)格H型鋼。優(yōu)化結(jié)果見表5，最滿意方案與方案1相似，主要區(qū)別在于選用了小規(guī)格角鋼、更薄的肘板和更大的孔徑系數(shù)，相比于方案1、方案2和方案3，最滿意方案的質(zhì)量降低了0.2%、11.0%、26.0%，最大應(yīng)力降低31%、18%、22%，綜合滿意度提高了17%、30%和103%，最滿意方案的滿意度達(dá)到了0.61。

表5 優(yōu)化前后的綜合滿意度對(duì)比

5 結(jié)論

1)通過參數(shù)化變型設(shè)計(jì)，可減少設(shè)計(jì)過程中的手動(dòng)裝配、參數(shù)計(jì)算和修改工作，降低產(chǎn)生人為失誤的風(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)輸?shù)鬃脑O(shè)計(jì)效率；

2)通過滿意度優(yōu)化形成的最終方案，其高度、質(zhì)量、最大應(yīng)力參數(shù)相比于3組變型設(shè)計(jì)方案獲得了改善，綜合滿意度相比于3組方案分別提升了17%、30%和103%；

3)變型設(shè)計(jì)和滿意度優(yōu)化可以通過設(shè)計(jì)軟件、仿真軟件的二次開發(fā)接口，結(jié)合變型設(shè)計(jì)算法、滿意度函數(shù)模型等實(shí)現(xiàn)，可以提高設(shè)計(jì)響應(yīng)速度，兼顧多方面設(shè)計(jì)目標(biāo)，是提升運(yùn)輸?shù)鬃鶖?shù)字化設(shè)計(jì)水平的有效手段。