基于iSIGHT的魚雷擺盤發(fā)動(dòng)機(jī)活塞多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

李斌茂, 錢志博, 程洪杰

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基于iSIGHT的魚雷擺盤發(fā)動(dòng)機(jī)活塞多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

李斌茂, 錢志博, 程洪杰

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

為進(jìn)一步對(duì)魚雷擺盤發(fā)動(dòng)機(jī)活塞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 綜合考慮其溫度、結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度, 基于多學(xué)科可行性法(MDF)建立了擺盤發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)模型, 并使用UG和ANSYS進(jìn)行溫度場(chǎng)和強(qiáng)度學(xué)科設(shè)計(jì)與分析。給出了活塞多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化分析仿真流程, 并基于iSIGHT集成UG和ANSYS建立其多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái), 通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)輸入、輸出、更新及軟件間數(shù)據(jù)交流。經(jīng)優(yōu)化的活塞質(zhì)量較原來(lái)降低了21.81%, 最高溫度降低了55℃, 第1環(huán)槽溫度降低了29℃, 最大應(yīng)力降低了10 MPa。仿真結(jié)果表明, 活塞輕量化的MDO可有效處理熱-結(jié)構(gòu)耦合因素, 在降低活塞質(zhì)量的同時(shí)改善了溫度及應(yīng)力特性, 提高了設(shè)計(jì)優(yōu)化效率。

魚雷擺盤發(fā)動(dòng)機(jī); 活塞; 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì); 多學(xué)科可行性法; iSIGHT

0 引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)的要求及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 使得魚雷熱動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)朝著大功率、高可靠性及輕量化等方向發(fā)展?；钊鳛轸~雷擺盤發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分, 其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能?；钊幱诟邷?、高壓且具有一定腐蝕性的工作環(huán)境中, 其設(shè)計(jì)既要保證具有良好的安全耐久抵抗熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷及抗腐蝕性, 又要力求質(zhì)量最輕。活塞的設(shè)計(jì)優(yōu)化涉及了結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、熱分析、材料等眾多學(xué)科, 是一個(gè)多學(xué)科耦合問(wèn)題。傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)中只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核, 且在校核過(guò)程中并未充分考慮溫度的影響, 僅依靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)平衡各學(xué)科指標(biāo)的沖突, 未充分考慮學(xué)科間的耦合因素, 設(shè)計(jì)優(yōu)化成效果不是很理想。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化[1-3](multidisciplinary design optimization, MDO)是一種方法論, 它基于并行工程理論, 通過(guò)充分探索并利用系統(tǒng)中各學(xué)科之間相互作用的協(xié)調(diào)機(jī)制平衡各學(xué)科間的沖突, 利用多學(xué)科優(yōu)化方法和優(yōu)化算法來(lái)尋求系統(tǒng)最優(yōu)解。該方法不僅能保證各學(xué)科相互間設(shè)計(jì)的一致性, 也保持了各學(xué)科設(shè)計(jì)的自主性, 從而提高設(shè)計(jì)效率、縮短產(chǎn)品研制周期。MDO已經(jīng)在航空航天汽車等領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[4-9], 且效果良好。本文應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法, 并基于iSIGHT集成UG、AYSYS等構(gòu)建多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)對(duì)魚雷擺盤發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算, 為活塞的多學(xué)科設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供技術(shù)和理論支撐, 并為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一種新的思路與方法參考。

1 多學(xué)科可行性法

多學(xué)科可行性(multidisciplinary feasible, MDF)法是單級(jí)的多學(xué)科解耦策略, 也是一種比較通用的多學(xué)科解耦策略, 該方法將整個(gè)系統(tǒng)看作一個(gè)大系統(tǒng)來(lái)處理, 包括一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化器和一個(gè)多學(xué)科分析過(guò)程, 將多學(xué)科分析系統(tǒng)整合為一個(gè)整體, 再對(duì)這個(gè)大系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。學(xué)科層分析與系統(tǒng)層分析一起進(jìn)行, 即優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量為所有學(xué)科設(shè)計(jì)變量的集合, 優(yōu)化目標(biāo)為所有學(xué)科目標(biāo)的集合, 在多學(xué)科分析過(guò)程中, 任意學(xué)科將其他學(xué)科分析得到的結(jié)果作為自身學(xué)科的邊界條件, 按順序?qū)γ總€(gè)學(xué)科進(jìn)行分析迭代, 直至滿足收斂條件, 得到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化解。該方法不對(duì)耦合變量做任何處理, 耦合變量的求解通過(guò)優(yōu)化器給定的設(shè)計(jì)變量采用高斯迭代進(jìn)行, 同時(shí)把學(xué)科分析作為等式約束。該方法實(shí)質(zhì)上是對(duì)優(yōu)化問(wèn)題的直接求解, 簡(jiǎn)單直觀, 且總能得到最優(yōu)解; 但其缺點(diǎn)是每次迭代要從頭遍歷所有的設(shè)計(jì)變量, 計(jì)算規(guī)模大。MDF的實(shí)質(zhì)是一種對(duì)原問(wèn)題直接解算的方法, 適用于設(shè)計(jì)變量、約束、目標(biāo)計(jì)算不復(fù)雜的系統(tǒng)。

MDF的數(shù)學(xué)模型可描述為

式中: 為學(xué)科局部設(shè)計(jì)變量; 為學(xué)科i的學(xué)科輸出; 為學(xué)科j輸入到學(xué)科i的耦合變量; z為全局設(shè)計(jì)變量。圖1是MDF的典型結(jié)構(gòu)圖。

2 活塞多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型

本文對(duì)活塞的MDO主要考慮結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及熱分析, 計(jì)算時(shí)取發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓力為30 MPa, 燃?xì)膺M(jìn)口溫度為1520.9 K。

2.1 活塞熱及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

活塞的熱分析及強(qiáng)度分析通過(guò)UG參數(shù)化建模及ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算。活塞的有限元模型中全部采用六面體網(wǎng)格, 如圖2所示。

圖2 活塞有限元模型

圖3 活塞溫度分布

在強(qiáng)度分析中, 邊界條件主要為機(jī)械載荷、溫度場(chǎng)約束及位移約束, 其中機(jī)械載荷主要是活塞頂所受工質(zhì)燃?xì)鈮毫? 活塞火力岸周圍氣體壓力為進(jìn)氣壓力的0.9倍, 活塞第1環(huán)岸氣體壓力為進(jìn)氣壓力的0.2倍。計(jì)算時(shí)考慮了材料性能隨溫度的變化。計(jì)算得到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析如圖4所示, 最大應(yīng)力約為605MPa, 活塞頂面所受應(yīng)力并不大, 頂面外側(cè)應(yīng)力小于其內(nèi)側(cè); 活塞變形呈喇叭口狀, 最大變形量約為0.23 mm, 在徑向方向的最大變形量約為0.1572 mm, 出現(xiàn)在活塞頂邊緣部位, 小于活塞頭部火力岸與汽缸套間的間隙0.275 mm。

圖4 活塞應(yīng)力、應(yīng)變分布

2.2 設(shè)計(jì)變量

活塞結(jié)構(gòu)如圖5所示, 其輕量化主要取決于結(jié)構(gòu)形式和尺寸的合理選擇, 同時(shí)需要滿足剛度、強(qiáng)度、導(dǎo)熱性及密封等的要求。

圖5 活塞結(jié)構(gòu)圖

2.3 活塞各學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化分析模型

強(qiáng)度優(yōu)化目的是為了降低工作過(guò)程中活塞應(yīng)力, 使其在材料的許用范圍之內(nèi), 約束條件為最大應(yīng)力不超過(guò)活塞的設(shè)計(jì)要求的許用應(yīng)力, 最大徑向應(yīng)變不超過(guò)活塞與汽缸套內(nèi)壁間的間隙, 即

結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)為活塞總質(zhì)量最小, 并滿足結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)約束要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題描述為

2.4 目標(biāo)函數(shù)

活塞的設(shè)計(jì)優(yōu)化, 由于涉及強(qiáng)度、熱分析等學(xué)科, 可求得各學(xué)科的一些主要的特征參數(shù), 如熱分析中可求得最高溫度值及溫度分布等, 強(qiáng)度計(jì)算中可求得應(yīng)力、變形等, 這些參數(shù)是代表各學(xué)科要求的重要物理量。而活塞輕量化的目的就是為了降低活塞重量的同時(shí)不影響活塞的正常使用。因此, 在對(duì)魚雷擺盤發(fā)動(dòng)機(jī)活塞進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中, 將活塞分析過(guò)程中得到的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等作為約束條件, 以保證活塞的安全工作, 并以活塞的總質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo), 即

3 活塞多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

在各學(xué)科分析基礎(chǔ)上, 通過(guò)一個(gè)MDO框架將各學(xué)科集成如圖6所示, 在該集成框架中, 選擇iSIGHT來(lái)集成參數(shù)化建模軟件UG與活塞學(xué)科分析軟件ANSYS。

3.1 UG和ANSYS的iSIGHT集成

對(duì)于iSIGHT集成UG, 首先, 根據(jù)未優(yōu)化前活塞的幾何參數(shù)在UG中建立其參數(shù)化模型(*.prt), 并輸出參數(shù)文件(*.exp); 其次, 通過(guò)C++編譯得到用于活塞UG模型自動(dòng)更新程序及自動(dòng)實(shí)現(xiàn)UG輸出中間格式文件(*.x_t或*.igs)的程序, 并建立批處理文件*.bat用于執(zhí)行這2個(gè)程序; 再次, 將上述幾個(gè)文件存放于同一文件夾中, 在iSIGHT中, 通過(guò)過(guò)程集成界面使用Simcode的輸入、執(zhí)行及輸出設(shè)置, 分別將活塞UG模型的參數(shù)文件、更新程序及*.x_t文件加載, 從而完成iSIGHT對(duì)UG軟件的集成, 實(shí)現(xiàn)利用UG自動(dòng)進(jìn)行活塞的參數(shù)化建模及模型更新。

圖6 活塞MDO集成框架

對(duì)于iSIGHT集成ANSYS, 首先, 通過(guò)APDL二次開(kāi)發(fā)得到活塞的ANSYS相關(guān)分析的程序文件(*.lgw), 并在ANSYS 中通過(guò)“switch output file to”生成含有優(yōu)化計(jì)算所需的變量(如溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、質(zhì)量等)的輸出文件*.txt; 其次, 創(chuàng)建一個(gè)批處理文件*.bat, 文件內(nèi)容為“%ANSYS120_DIR%inintelansys120.exe”-b -p ANSYS -i *.lgw -o *.txt”, 及“del *. txt”, 其中“del *. txt”是為了刪除循環(huán)迭代中越來(lái)越大的中間結(jié)果文件; 然后, 將*.lgw文件、*.txt文件和*.bat至于同一路徑下, 在iSIGHT的Simcode組件中, 對(duì)輸入(*.lgw)、輸出(*.txt)和執(zhí)行文件(*.bat)進(jìn)行解析, 將ANSYS集成到iSIGHT中。

3.2 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

采用iSIGHT作為活塞MDO集成框架環(huán)境, 基于前述的理論、分析及方法, 得到活塞多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的流程如圖7所示, 在該流程中, 當(dāng)前后2次計(jì)算出的活塞溫度、應(yīng)力、應(yīng)變及重量的變化都足夠小, 則停止迭代。相應(yīng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化集成框架如圖8所示。該框架以活塞幾何拓?fù)涑叽鐬樵O(shè)計(jì)變量, 通過(guò)iSIGHT集成UG和ANSYS, 實(shí)現(xiàn)活塞多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的自動(dòng)進(jìn)行。

4 活塞多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果及分析

采用iSIGHT提供的序列二次規(guī)劃法NLPQL作為數(shù)值優(yōu)化算法, 啟動(dòng)集成設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái), 通過(guò)多次迭代計(jì)算得到收斂的運(yùn)行結(jié)果如表1所示。

圖7 活塞MDF設(shè)計(jì)優(yōu)化流程

表1 運(yùn)行結(jié)果

圖8 活塞MDO集成平臺(tái)

從優(yōu)化結(jié)果可以看出, 優(yōu)化后活塞最大應(yīng)力約為594.7519 MPa, 降低了約10 MPa; 活塞最高溫度約為828.949℃, 降低了約55℃; 活塞第1環(huán)槽平均溫度約為236℃, 降低了約29℃, 且低于潤(rùn)滑油的結(jié)膠溫度; 最大徑向變形為0.1302 mm, 減少了0.027 mm; 活塞重量為0.4326 kg, 降低了21.81%?；贛DO的活塞輕量化在降低活塞重量的同時(shí), 也使活塞所受應(yīng)力、徑向型變量及溫度有所下降, 達(dá)到了優(yōu)化的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

將MDO方法引入發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)中, 綜合考慮結(jié)構(gòu)、熱分析、強(qiáng)度因素建立活塞MDO模型, 基于iSIGHT集成UG、ANSYS等軟件, 構(gòu)建了活塞多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)。通過(guò)優(yōu)化計(jì)算, 活塞重量下降了約21.81%, 活塞體最高溫度下降約6.23%, 活塞頭部第1環(huán)槽平均溫度降低了10.98%, 活塞最大應(yīng)力下降了約1.66%, 活塞徑向最大變形減少17.18%; 在活塞輕量化的同時(shí), 改善了活塞的溫度分布及熱應(yīng)力特性, 實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的目的。優(yōu)化計(jì)算穩(wěn)定性、效率及可靠性高。本文既是MDO應(yīng)用的拓展, 也為魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路和方法。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Multidisciplinary Design Optimization for Wobbleplate Engine Piston of Torpedo Based on iSIGHT

LI Bin-maoQIAN Zhi-boCHENG Hong-jie

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

To solve the multidisciplinary design optimization(MDO) problem for wobbleplate engine piston mechanism of a torpedo, a MDO model is built based on multidisciplinary feasible(MDF) method with comprehensive consideration of structure, temperature, and intensity of the piston. A temperature field model and a stress model of the piston are built by UG and ANSYS, and multidisciplinary optimization analysis and design are conducted by means of numerical analysis and calculation. MDO platform and simulation process are constructed by integrating iSIGHT with UG and ANSYS. Through secondary development of the software, the parameters import, export, and automatic update, as well as the data exchange among different software, are realized on the MDO platform. The MDO results illustrate that the weight of the piston is reduced by 21.81%, the peak temperature and the temperature of the first ring groove decrease by 55℃ and 29℃, respectively, and the maximum stress decreases by 10 MPa. Simulation results show that the MDO method can improve the characteristics of temperature and thermal stress of the piston, and can deal with the coupling of heat and structure effectively, and can promote MDO efficiency.

wobbleplate engine of torpedo; piston; multidisciplinary design optimization; multidisciplinary feasible method; iSIGHT

2014-04-24;

2014-05-16.

李斌茂(1979-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)樗挛淦飨到y(tǒng)設(shè)計(jì)、武器系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)理論與方法等.

TJ630.32;TP206.3

A

1673-1948(2014)04-0282-06