基于HyperWorks的回轉(zhuǎn)臺(tái)承載框架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

曲明 閆永昌 張國(guó)友 董國(guó)慶 高靜 李盛文

摘要：本文論述了HyperWorks的RADIOSS解算器和OptiStruct優(yōu)化模塊在風(fēng)洞架車的回轉(zhuǎn)臺(tái)承載框架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化中的應(yīng)用，使用RADIOSS對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，將計(jì)算得到的性能參數(shù)與實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行比較，進(jìn)而采用OptiStruct尋找到載荷傳遞路徑，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在同時(shí)滿足多工況使用需求下，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：承載框架;OptiStruct;拓?fù)鋬?yōu)化;尺寸優(yōu)化

引言

FL-9風(fēng)洞是一座高性能的高雷諾數(shù)的低速風(fēng)洞，為滿足在FL-9風(fēng)洞進(jìn)行滑流試驗(yàn)所需的大載荷要求，需要配備一臺(tái)新的架車，回轉(zhuǎn)臺(tái)承載框架作為該架車的重要組成部分。由于載荷情況復(fù)雜，采用理論計(jì)算找到最佳設(shè)計(jì)方案的方法均不適合，因此有必要采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法尋找結(jié)構(gòu)的載荷傳遞路徑以達(dá)到材料的高效利用。本文以回轉(zhuǎn)臺(tái)承載框架為研究對(duì)象，采用OptiStruct優(yōu)化模塊對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)在滿足多工況使用需求情況下，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

1.初始設(shè)計(jì)方案分析

回轉(zhuǎn)臺(tái)承載框架位于架車轉(zhuǎn)盤的底部，是模型及支撐機(jī)構(gòu)等的承載部件，同時(shí)受到氣動(dòng)載荷的作用，上法蘭面與車體固定連接，采用HyperWorks的RADIOSS解算器進(jìn)行線性靜力分析計(jì)算，可知承載框架的各組成部分在設(shè)計(jì)載荷作用下的最大位移為0.07mm，單元最大應(yīng)力為21.83MPa，質(zhì)量14.6噸，由此可見(jiàn)具有較大的優(yōu)化空間。

1.1?有限元模型

為進(jìn)一步進(jìn)行分析優(yōu)化，將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為殼單元建立有限元模型，有限元模型如圖2所示，模型共計(jì)15978個(gè)節(jié)點(diǎn)，15734個(gè)四邊形單元，均采用四邊形殼體單元，材料采用Q235。

圖2?回轉(zhuǎn)臺(tái)承載框架有限元模型

1.2?載荷工況及邊界條件

1.2.1?載荷工況

氣動(dòng)載荷等效作用于天平校心，載重約為7噸，載荷的施加通過(guò)多點(diǎn)約束實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫€要考慮到振動(dòng)特性，所以除了靜力分析工況外，還需要進(jìn)行模態(tài)分析。

1.2.2?邊界條件

由于上法蘭面固定連接，所以約束該法蘭面所有節(jié)點(diǎn)的x，y，z平移及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

2.拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

2.1?優(yōu)化要素

2.1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

將外形一致的法蘭作為非設(shè)計(jì)變量，其余組成部分均設(shè)置為設(shè)計(jì)變量。

2.1.2優(yōu)化約束

應(yīng)力約束：小于120MPa;

固有頻率約束：第7階固有頻率小于496Hz;

體積分?jǐn)?shù)約束：體積分?jǐn)?shù)小于0.3;

對(duì)稱約束：考慮到工藝性，采用對(duì)稱約束來(lái)強(qiáng)制優(yōu)化結(jié)果對(duì)稱;

2.1.3優(yōu)化目標(biāo)：在滿足靜力工況和模態(tài)工況條件下，靜態(tài)柔度最小。

風(fēng)洞在70m/s風(fēng)速下的激振頻率為709.28?Hz，所以激振頻率高低范圍按照0.7倍及1.4倍計(jì)算，應(yīng)為496?Hz～993?Hz，由于設(shè)備固有頻率較低，且由于模態(tài)主要由前幾階模態(tài)組成，因此固有頻率優(yōu)化約束設(shè)置為第7階固有頻率小于496?Hz。

2.2?優(yōu)化結(jié)果

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖3所示，從圖中可觀察最佳材料分布及載荷傳遞路徑，單元密度為1的區(qū)域即紅色區(qū)域材料很重要，需要保留，單元密度為0的區(qū)域即藍(lán)色區(qū)域材料不重要，可以去除，從而達(dá)到材料的高效利用。

圖3?拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3.尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后，承載框架的最佳結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)確定，按照載荷傳遞路徑進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)后依然重達(dá)11.434噸，因此在拓?fù)鋬?yōu)化基礎(chǔ)上需要采用尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)于殼體厚度進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減重目的。

3.1?優(yōu)化要素

3.1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

除與供氣系統(tǒng)的設(shè)備接口尺寸保持不變外，其余22組殼體厚度均設(shè)置為設(shè)計(jì)變量。

3.1.2優(yōu)化約束

考慮靜力及模態(tài)兩個(gè)載荷工況，由于尺寸優(yōu)化無(wú)法將應(yīng)變能作為優(yōu)化目標(biāo)，所以施加如下約束：

應(yīng)力約束：小于120MPa;

位移約束：所有節(jié)點(diǎn)位移小于0.5mm;

固有頻率約束：第7階固有頻率小于496Hz;

對(duì)稱約束：考慮到工藝性，采用對(duì)稱約束來(lái)強(qiáng)制優(yōu)化結(jié)果對(duì)稱;

3.1.3優(yōu)化目標(biāo)：在滿足靜力工況和模態(tài)工況情況下，體積最小。

3.2?優(yōu)化結(jié)果

計(jì)算可知最大位移為0.488mm，最大應(yīng)力為61.09?MPa，第7階固有頻率約為157Hz，由此也證明了分析的準(zhǔn)確性。

4.結(jié)論

采用RADIOSS解算器對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)承載框架初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)分析知該結(jié)構(gòu)具有較大優(yōu)化空間，首先在概念設(shè)計(jì)階段采用OptiStruct進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，找到載荷傳遞路徑，將薄弱部分進(jìn)行加強(qiáng)，在結(jié)構(gòu)形式確定后的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)一步采用OptiStruct進(jìn)行尺寸優(yōu)化，最終采用RADIOSS解算器對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化重量為7.552噸，減重約48%，由此可見(jiàn)減重效果明顯，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。

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