基于SolidWorks Simulation的新型魚雷支架優(yōu)化設(shè)計

吳應(yīng)東

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基于SolidWorks Simulation的新型魚雷支架優(yōu)化設(shè)計

吳應(yīng)東

(昆明船舶設(shè)備研究實驗中心, 云南 昆明, 650051)

針對傳統(tǒng)魚雷支架制作成本較高、占地面積大、不利于搬運等缺點, 基于SolidWorks設(shè)計了一種可插拔式堆疊的新型魚雷支架, 該雷架采用注塑成型, 在保證支架強(qiáng)度的同時, 可極大簡化支架的加工程序并降低成本, 使其占地面積降至原有的1/10以下。同時基于SolidWorks Simulation插件完成該支架有限元分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 優(yōu)化結(jié)果進(jìn)一步證明了該設(shè)計方案的可行性。

魚雷支架; 可插拔式; 堆疊; SolidWorks; 優(yōu)化設(shè)計

0 引言

為了方便調(diào)試、存放或運輸魚雷, 需要制作與魚雷外徑相適應(yīng)的魚雷支架。以往雷架基本采用型材焊接, 在上端粘貼毛氈, 形成魚雷支撐弧面, 這種雷架由于結(jié)實耐用而得到廣泛應(yīng)用。但隨著魚雷調(diào)試批量的增加, 這種雷架的弊端逐漸凸顯: 當(dāng)雷架大量閑置的時候, 各個雷架不能疊放, 將占用大量的場地, 同時也不利于雷架的運輸; 另外, 其制作過程較為繁瑣, 成本也相對較高。因此, 本文考慮設(shè)計一種類似塑料凳可插拔式堆疊的新型雷架。

采用SolidWorks軟件完成雷架基本構(gòu)型的設(shè)計。該雷架的制作采用注塑, 需要制作相應(yīng)的模具。在模具制作完成之前, 并沒有很好的方法對產(chǎn)品的強(qiáng)度進(jìn)行驗證, 加之模具本身尺寸較大, 產(chǎn)品加工風(fēng)險很高, 但也不能一味通過加厚雷架壁面厚度來充分保證其強(qiáng)度, 因為這也將增加模具加工成本以及單個雷架的原料成本。基于此, 采用SolidWorks Simulation插件對雷架模型進(jìn)行了有限元分析, 模擬其受力及變形情況。同時, 基于SolidWorks參數(shù)化的特點設(shè)置幾個重要尺寸變量, 在優(yōu)化設(shè)計過程中, 通過改變這些變量構(gòu)造多種方案, 從中找出相對合理的設(shè)計。

1 可插拔式堆疊魚雷支架設(shè)計

可插拔式堆疊的魚雷支架整體采用注塑成型, 為了實現(xiàn)雷架可插拔式堆疊的功能, 采用內(nèi)腔中空結(jié)構(gòu), 中空的4個側(cè)面傾斜設(shè)計, 如圖1所示。圖中, 雷架主要構(gòu)件包括雷架主體(1)、內(nèi)腔(2)、雷體支撐弧(3)、4個與地面接觸的支腳(4)、兩側(cè)用于手工搬運的提拉口(5)以及用于固定其他輔助裝置的定位孔(6), 關(guān)鍵尺寸為1,1,2,2。其中, 為了加強(qiáng)整體強(qiáng)度, 在內(nèi)腔的4個角以及內(nèi)腔壁上設(shè)計有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)?？紤]到魚雷外徑有時候并不是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱面, 在上端留有定位孔, 必要的時候可安裝不規(guī)則支撐弧面。

圖1 可插拔式堆疊雷架結(jié)構(gòu)示意圖

在實際工作時, 一般2個雷架首尾放置。單個支架能夠承受不小于1 200 kg的壓力。為充分保證強(qiáng)度, 在注塑的時候選用強(qiáng)度較高的ABS塑料, 其最大張力強(qiáng)度達(dá)到3×107N/m2。

2 支架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

有限元法(finite element method, FEM)是將連續(xù)體離散化, 通過對有限個單元插值求解各種力學(xué)、物理問題的一種數(shù)值方法[1-4]。有限元分析可分成3個階段: 前置處理、計算求解和后置處理。前置處理是建立有限元模型, 完成單元網(wǎng)格劃分; 后置處理則是采集處理分析結(jié)果, 方便用戶提取信息, 了解計算結(jié)果。

目前的有限元分析軟件中使用最為普遍的是ANSYS, SolidWorks構(gòu)建的3D模型可先另存為parasolid格式, 在ANSYS中便能打開進(jìn)行分析。本文則采用Simulation插件完成有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程。Simulation作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成。運用SolidWorks Simulation, 一般的工程技術(shù)人員便可以進(jìn)行產(chǎn)品分析, 快速得到相應(yīng)的分析結(jié)果, SolidWorks Simulation能夠提供豐富的計算與分析工具來對較復(fù)雜零件及裝配體進(jìn)行運算、測試和分析, 主要功能包括應(yīng)力計算與分析、應(yīng)變計算與分析、產(chǎn)品設(shè)計及優(yōu)化、線性與非線性分析等[5]。

Simulation中的有限元分析過程也分為前處理、計算以及后處理階段。首先設(shè)置雷架材料為ABS, 固定雷架的4個支腳, 在上端圓弧支撐面添加12000N的軸承載荷并完成有限元網(wǎng)格劃分。該過程盡量真實模擬雷架的實際工作情況。在SolidWorks Simulation中, 網(wǎng)格劃分越精細(xì), 結(jié)果就越精確, 但是計算速度也會越慢。判定計算結(jié)果基本合理有2種方法: 第一, 查看Von Mises應(yīng)力中的波節(jié)值(即網(wǎng)格節(jié)點應(yīng)力值)和單元值(即有限元網(wǎng)格平均應(yīng)力值), 若兩者最大值相差不到5%, 就可認(rèn)為現(xiàn)有計算實例精度足夠; 第二, 前后兩次計算的Von Mises應(yīng)力值相差不到5%, 即是網(wǎng)格的細(xì)化帶來結(jié)果的變化很小, 也可認(rèn)為計算精度足夠。

當(dāng)雷架壁厚設(shè)定為4 mm時, 其應(yīng)力分布如圖2所示, 最大應(yīng)力處于上端圓弧底端, 約為2.5×107N/m2, 比較危險。因此考慮增加壁厚或者改變其他尺寸。

圖2 壁厚為4 mm時雷架應(yīng)力分布

優(yōu)化設(shè)計的原理是建立優(yōu)化模型, 運用相關(guān)優(yōu)化算法, 通過滿足設(shè)計要求的條件下迭代計算, 求得目標(biāo)函數(shù)的極值, 得到最優(yōu)設(shè)計方案[6]。

優(yōu)化設(shè)計問題的數(shù)學(xué)模型可表示為[7]

Min()=(1,2,…,x)

Find=(1,2,…,x)T∈R

g()=(1,2,…,x)≤0=(1, 2, …,)

h()=(1,2,…,x)=0=(1, 2, …,)

其中:()為目標(biāo)函數(shù), 為設(shè)計變量的函數(shù);x為設(shè)計變量;g()為約束條件;和是狀態(tài)變量的個數(shù)。目標(biāo)函數(shù)是最小化函數(shù), 一般包括尺寸(如厚度)、質(zhì)量、成本等性能準(zhǔn)則; 設(shè)計變量為需要改變的設(shè)計輸入?yún)?shù), 例如高度、寬度等, 一般在優(yōu)化設(shè)計之前, 都需要限定設(shè)計變量的變化范圍; 狀態(tài)變量用于判斷設(shè)計的模型響應(yīng)參數(shù), 比如內(nèi)力、應(yīng)力、位移等, 合理的設(shè)計必須要保證狀態(tài)變量符合規(guī)定的限制條件, 最終的優(yōu)化設(shè)計才能實現(xiàn)。

SolidWorks Simulation為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了極大便利, 優(yōu)化設(shè)計之前, 都需要對初步方案進(jìn)行力學(xué)分析, 優(yōu)化設(shè)計算例都將以此為基礎(chǔ)。優(yōu)化設(shè)計主要包含2個目的, 一是對比選擇多種設(shè)計方案; 二是限定關(guān)鍵尺寸(即設(shè)計變量)變化范圍以及限制條件(狀態(tài)變量), 尋求最小化目標(biāo)函數(shù)(如質(zhì)量、體積)。整個方案對比或優(yōu)化設(shè)計過程中, 變化的是尺寸, 材料以及外界條件(上端圓弧支撐面12 000 N的軸承載荷)都不變。

基于厚度為4 mm時的應(yīng)力結(jié)果值, 考慮增加雷架壁厚, 首先對比雷架應(yīng)力值隨壁厚變化的改變趨勢, 定義一個整體變量, 即代表雷架抽殼厚度, 在進(jìn)行建模時, 就將抽殼特征值設(shè)置為該變量。同時在模型樹“傳感器”欄下方添加2個傳感器, 即“最大應(yīng)力值max”和“體積(或質(zhì)量)”, 前者將測試每次仿真后模型的最大應(yīng)力值, 后者則將測試模型的體積(或質(zhì)量)。最終得到模型最大應(yīng)力值隨壁厚變化趨勢如圖3所示, 可見, 最大應(yīng)力值隨著壁厚增加會有所減小, 在壁厚為6~7 mm之間有一個明顯的轉(zhuǎn)折, 即當(dāng)壁厚小于這個范圍的時候, 隨壁厚增加, 最大應(yīng)力值會快速減小, 但壁厚超過這個范圍, 應(yīng)力改善并不是很明顯, 因此, 考慮將雷架壁厚設(shè)置在6~7 mm。

圖3 雷架最大應(yīng)力隨壁厚變化趨勢曲線

SolidWorks Simulation多設(shè)計變量下的優(yōu)化設(shè)計使用了基于“實驗設(shè)計”的優(yōu)化方式。工程師提供設(shè)計變量的最大值和最小值, 選擇“標(biāo)準(zhǔn)”或“高質(zhì)量”優(yōu)化方式。“標(biāo)準(zhǔn)”方式假設(shè)限制值之間的目標(biāo)響應(yīng)曲線是線性的, 只計算這些值處的響應(yīng)?！案哔|(zhì)量”優(yōu)化會考慮到在限制值之間存在2階響應(yīng)的可能性, 除了極大、極小值外還會求1個中間值。整個流程如圖4所示。

圖4 SolidWorks Simulation優(yōu)化設(shè)計流程

首先設(shè)置幾個關(guān)鍵參數(shù)及其初始值, 如表1及圖1所示, 包含關(guān)鍵尺寸1,1,2,2(由于使用工況的限定, 雷架的高度被設(shè)置為固定值)以及雷架壁厚。

表1 雷架優(yōu)化設(shè)計參數(shù)設(shè)置

SolidWorks Simulation中優(yōu)化設(shè)計具體的實施辦法是單擊“評估”下面的“設(shè)計算例”, 然后分別對“變量”、“約束”和“目標(biāo)”進(jìn)行設(shè)置[8]。如表2所示, 其中設(shè)計變量就是關(guān)鍵尺寸變化范圍, 約束條件即是限定最大應(yīng)力值, 為絕對安全, 設(shè)置為1×107N/m2。由于模具加工成本會隨著產(chǎn)品本身體積(質(zhì)量)增加而大幅增長, 因此, 雷架優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)就是在充分滿足強(qiáng)度的條件下, 找到最小體積值, 即最少原料消耗值。

表2 雷架優(yōu)化設(shè)計變量、約束及目標(biāo)設(shè)置

點擊“運行”, 經(jīng)過43次的迭代運算, SolidWorks Simulation將會給出各個設(shè)計情況下的結(jié)果, 并給出優(yōu)化結(jié)果, 如表3所示。

從中可以看出, 在限制條件(最大應(yīng)力＜1×107N/m2)下, 最佳壁厚為6.4 mm左右, 這和之前的幾組方案對比吻合, 同時幾個關(guān)鍵尺寸也有建議值, 可在充分考慮實現(xiàn)雷架插拔性的情況下, 擇優(yōu)選擇各個關(guān)鍵尺寸數(shù)值。

表3 雷架優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

結(jié)合優(yōu)化設(shè)計結(jié)果, 并在其內(nèi)部設(shè)計加強(qiáng)筋后的新型雷架剖切視圖如圖5所示。

圖5 新型雷架剖切視圖

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)魚雷支架占用較多場地、加工繁瑣等不足, 設(shè)計了一種可插拔式堆疊的新型魚雷支架。該新型支架占用場地可減少為原來的1/10以下, 同時采用注塑加工, 對雷架的大批量生產(chǎn)提供極大的便利。

為了同時兼顧雷架強(qiáng)度以及模具生產(chǎn)成本, 基于SolidWorks Simulation對初始設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化, 針對SolidWorks參數(shù)化的特點, 首先設(shè)置關(guān)鍵設(shè)計尺寸以及限制條件, 在該特定范圍內(nèi)尋找一個最優(yōu)解, 得到相對理想的結(jié)果。

由此可見, 在工程應(yīng)用中, 可對初始設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計尋找最優(yōu)結(jié)果, SolidWorks Simulation可實現(xiàn)這個過程, 并可對多種設(shè)計方案進(jìn)行對比, 也可在設(shè)定關(guān)鍵尺寸范圍的情況下找尋目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值。本文即采用新型魚雷支架這個例子進(jìn)行了高性能的應(yīng)力分析和優(yōu)化分析, 實際結(jié)果表明, 具有很好的參考性。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Optimization Design of New Type Torpedo Rack Based on SolidWorks Simulation

WU Ying-dong

(Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center, Kunming 650051,China)

The structure of conventional torpedo rack has the disadvantages of high cost, large volume, and inconvenient movement. Therefore, a new type of pluggable and stackable rack is designed for a torpedo based on the software SolidWorks Simulation. This new rack is made with injection molding technology to decrease the cost, simplify the machining process, and reduce its covering area to less than 1/10 of original one without the decrease in its strength. Moreover, optimization design and finite element analysis of the new torpedo rack are conducted based on SolidWorks Simulation. The final design reduces the volume of mold and the raw materials, and the strength of the new type of torpedo rack is enhanced.

torpedo rack; pluggable; stackable; SolidWorks Simulation; optimization design

2014-03-21;

2014-03-31.

吳應(yīng)東(1987-), 男, 碩士, 助理工程師, 主要研究方向為機(jī)械設(shè)計理論及方法.

TJ630; TP391.9

A

1673-1948(2014)04-0249-05