基于ANSYS Workbench的水下航行體殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蔣 偉, 李世蕓

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基于ANSYS Workbench的水下航行體殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蔣 偉, 李世蕓

(昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 云南 昆明,650500)

殼體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量大小直接影響水下航行體的整體性能, 傳統(tǒng)的優(yōu)化方法工作量大, 計(jì)算也較復(fù)雜。本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS Workbench中的Design Exploration模塊對(duì)殼體壁厚、環(huán)形肋的截面寬度和高度、環(huán)肋間距進(jìn)行優(yōu)化, 在保證殼體滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的情況下, 將殼體的質(zhì)量最小化。通過此方法對(duì)水下航行體殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化, 得到最優(yōu)化的殼體結(jié)構(gòu)質(zhì)量, 對(duì)水下航行體的整體設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

水下航行體; 殼體結(jié)構(gòu); 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

目前, 水下航行體殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要是其強(qiáng)度和穩(wěn)定性, 在設(shè)計(jì)階段, 為了提高殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性, 就會(huì)使殼體的質(zhì)量增加, 導(dǎo)致內(nèi)部元件的尺寸與質(zhì)量受到限制, 降低水下航行體的各項(xiàng)戰(zhàn)技指標(biāo)。在水下航行體殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中引入優(yōu)化設(shè)計(jì), 能夠更好地模擬殼體結(jié)構(gòu)在不同工況和約束條件下的性能, 同時(shí)還能考慮到殼體材料、結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)殼體設(shè)計(jì)的影響, 使設(shè)計(jì)出來的殼體結(jié)構(gòu)能在滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求的條件下降低其質(zhì)量, 從而找到殼體結(jié)構(gòu)的各個(gè)尺寸與殼體戰(zhàn)技指標(biāo)間的平衡點(diǎn)。本文基于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念, 引入了優(yōu)化設(shè)計(jì), 指出優(yōu)化模型的理論計(jì)算復(fù)雜性, 提出了結(jié)合ANSYS Workbench進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析的方法, 使殼體優(yōu)化更為方便。

1 水下航行體殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

水下航行體殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是在使殼體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性都滿足要求的條件下, 盡量節(jié)約材料, 減少整個(gè)殼體的質(zhì)量。水下航行體殼體結(jié)構(gòu)的一般優(yōu)化模型[1]為

以上優(yōu)化模型可以轉(zhuǎn)化為如下的方程[2]

上面模型可簡(jiǎn)寫為

然而求解上述模型是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算過程,人工求解存在一定的難度, 同時(shí), 這樣的優(yōu)化模型沒有考慮殼體結(jié)構(gòu)尺寸的不確定性, 這些尺寸有一定的上下伸縮量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和分析軟件發(fā)展, 對(duì)于人工求解具有一定難度的工程問題得到了很大的改善, 針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題, ANSYS Workbench中的Design Exploration (設(shè)計(jì)探索)模塊為設(shè)計(jì)分析人員帶來了很大的便利與幫助。

2 ANSYS Workbench優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司開發(fā)的一款有限元分析軟件, Workbench利用ANSYS計(jì)算內(nèi)核, 具有裝配體自動(dòng)分析、自動(dòng)網(wǎng)格劃分、快捷的參數(shù)優(yōu)化工具, 為設(shè)計(jì)者提供極大的便利。優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過逐次有限元分析計(jì)算, 按一定的搜索策略, 根據(jù)對(duì)方案計(jì)算結(jié)果的分析和比較, 按強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求, 對(duì)原方案進(jìn)行修改補(bǔ)充, 使之能得到較合理的應(yīng)力、變形分布, 并且經(jīng)濟(jì)性又好, 從而尋求逼近最優(yōu)解, 得到較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。Design Exploration是功能強(qiáng)大、方便易用的多目標(biāo)優(yōu)化及穩(wěn)健性設(shè)計(jì)模塊。實(shí)際工程通常需要多個(gè)優(yōu)化目標(biāo), 以使得產(chǎn)品的總體性能較好, 而不僅是某一項(xiàng)指標(biāo)最好。Design Exploration通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment, DOE)和響應(yīng)面(response surface)技術(shù)來描述設(shè)計(jì)變量和產(chǎn)品性能之間的關(guān)系, DOE及響應(yīng)面提供所有的信息以滿足驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品發(fā)展的數(shù)值仿真需要, 一旦設(shè)計(jì)變量的響應(yīng)已知, 很容易理解并確認(rèn)產(chǎn)品需求的變化, 而一旦生成響應(yīng)面, 許多易于理解的和產(chǎn)品設(shè)計(jì)有關(guān)的信息如曲線、表面、靈敏度等可以共享, 并可以在產(chǎn)品的任何設(shè)計(jì)階段使用。設(shè)計(jì)探索的使用方法如下[3]:

1) 設(shè)計(jì)變量及目標(biāo)對(duì)象參數(shù)化;

2) 使用參數(shù)工作空間管理參數(shù);

3) 生成響應(yīng)面;

4) 采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化技術(shù)完成設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3 水下航行體殼體結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化

3.1 殼體結(jié)構(gòu)、約束與載荷

圖1 殼體結(jié)構(gòu)尺寸

表1 殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)數(shù)據(jù)表

3.2 水下航行體殼體優(yōu)化過程

圖2 優(yōu)化流程

3.3 初步分析結(jié)果

對(duì)殼體原結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和線性屈曲分析。

根據(jù)初始設(shè)計(jì)的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析, 得到殼體質(zhì)量為53.834 kg, 最大等效應(yīng)力為332.65 MPa, 遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度430 MPa, 發(fā)生在殼體端部前2個(gè)環(huán)肋之間, 考慮到在進(jìn)行屈曲分析時(shí)得到的屈曲載荷因子隨著階次的增高而增大, 因此只分析了第1階屈曲載荷因子就滿足要求, 初始設(shè)計(jì)得到的屈曲載荷因子為1.6615, 大于要求的1.2。對(duì)應(yīng)的云圖如圖3和圖4所示。

圖3 初始設(shè)計(jì)應(yīng)力云圖

圖4 初始設(shè)計(jì)1階屈曲變形云圖

3.4 最優(yōu)化求解及結(jié)果

對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析的結(jié)果表明, 水下航行體殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性都還有一定的富余, 因此結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步優(yōu)化。

多目標(biāo)優(yōu)化是向量函數(shù)的優(yōu)化, 各個(gè)分目標(biāo)函數(shù)一般是互相矛盾的, 得到的是非劣解(Pareto最優(yōu)解)的集合。對(duì)此, 一種求解方法是構(gòu)造綜合目標(biāo)函數(shù), 即

表2 優(yōu)化目標(biāo)與權(quán)重設(shè)置

Table 2 Optimization objective and weight

求解得到3個(gè)推薦設(shè)計(jì)點(diǎn)見表3。備選設(shè)計(jì)點(diǎn)與初始設(shè)計(jì)點(diǎn)目標(biāo)函數(shù)值見表4。由于該殼體的優(yōu)化更著重減少質(zhì)量, 同時(shí)也考慮到強(qiáng)度和穩(wěn)定性條件, 故根據(jù)表3選擇方案。為了制造方便, 對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整:=5.3 mm,=15 mm,=13 mm,=70 mm, 將此設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算, 得到零件質(zhì)量為46.922 kg, 最大等效應(yīng)力為408.34 MPa, 屈曲載荷因子為1.2377, 這都在允許的范圍以內(nèi)。

表3 優(yōu)化得到的3個(gè)最優(yōu)解

表4 備選方案與初始方案目標(biāo)函數(shù)值比較

Table 4 Comparison of objective function values in alternative scheme and initial scheme

4 結(jié)論

本文對(duì)水下航行體殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后, 殼體質(zhì)量減少到46.922 kg, 減輕了12.83%, 如表5所示, 同時(shí)這只是針對(duì)一段殼體, 而就水下航行體而言這樣的殼體是多段的, 按照這樣的優(yōu)化方法去對(duì)其進(jìn)行整體優(yōu)化, 其優(yōu)化結(jié)果將是很可觀的, 將大大減輕航行體的質(zhì)量, 提高其戰(zhàn)斗性能。

表5 殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比

ANSYS Workbench提供的優(yōu)化模塊Design Exploration易用性良好, 無需費(fèi)時(shí)編寫程序就能方便地設(shè)定優(yōu)化參數(shù), 進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。由于建?！治觥獌?yōu)化無縫對(duì)接, 減少了不同軟件系統(tǒng)的交互時(shí)間。同時(shí)其最大優(yōu)點(diǎn)在于較大程度地降低優(yōu)化難度, 相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要反復(fù)地修改設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行校核, 費(fèi)時(shí)費(fèi)力而言, 運(yùn)用該軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 將很大程度的縮短產(chǎn)品研發(fā)周期, 以及研發(fā)成本。合理的結(jié)構(gòu)尺寸可以保證剛度和強(qiáng)度, 顯著節(jié)約材料。

[1] 數(shù)學(xué)手冊(cè)編寫組. 數(shù)學(xué)手冊(cè)[M]. 北京: 高等教育出版 社, 1979.

[2] 宋保維. 魚雷殼體結(jié)構(gòu)的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 火力與指揮控制, 2011, 36(7): 165-162. Song Bao-wei. The Fuzzy Optimum Design of Torpedo Shell Structure[J]. Fire Control & Command Control, 2011, 36(7): 165-162.

[3] 許京荊. ANSYS 13.0 Workbench數(shù)值模擬技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2012.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Optimization of Shell Structure for Underwater Vehicle Based on ANSYS Workbench

JIANG WeiLI Shi-yun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The stiffened cylindrical shell structure is an important part of an underwater vehicle, and its mass directly affects the overall performance of the underwater vehicle. However, the conventional design optimization methods of the shell structure have the disadvantages of great workload and complicated calculation. This paper uses the Design Exploration module in the finite element software ANSYS Workbench to optimize the thickness of shell wall, the width and height of annular rib in cross-section, and the distance between the ribs, so as to minimize the mass of the shell in the restriction of satisfactory strength and stability. Consequently, the shell structure of an underwater vehicle is optimized with the proposed method, and the optimum mass of the shell structure is obtained.

underwater vehicle; shell structure; optimization design

2014-04-15;

2014-05-14.

國(guó)家重大科技專項(xiàng)“精密立臥式加工中心技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)”項(xiàng)目資助(2012ZX04012-031)

蔣 偉(1990-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE/CAM.

TJ630; TP391.7

A

1673-1948(2014)04-0245-04