基于ANSYS與ADAMS的懸臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

查云飛

ZHA Yun-fei

（福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福州 350118）

0 引言

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算依賴工程問題的解析求解方法，使實(shí)際問題不得不簡(jiǎn)化，其簡(jiǎn)化程度不取決于工程需要而取決于已有的數(shù)學(xué)工具能否求解[1]。雖然簡(jiǎn)化的結(jié)果使大量相對(duì)復(fù)雜的問題得到了計(jì)算求解，但另一方面也帶來了很多工程問題的求解離實(shí)際情況差距很大的困擾。

CAD和CAE技術(shù)之間的相互結(jié)合后形成的并行工程技術(shù)使人們突破了傳統(tǒng)的串行工作方法，在不同的工作階段以仿真的形式同時(shí)開展，使設(shè)計(jì)者能很好的評(píng)價(jià)方案，并及時(shí)作出必要修改，已獲得一個(gè)全面、綜合的優(yōu)化方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及有限元理論的日臻完善，作為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)重要組成部分的有限元技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中得到更加廣泛的使用[2]。下面以某鋼廠新設(shè)計(jì)的運(yùn)板裝置中的連接板結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 運(yùn)板裝置結(jié)構(gòu)分析

運(yùn)板裝置的結(jié)構(gòu)主要由支撐側(cè)板、托板系統(tǒng)以及取板系統(tǒng)組成，為便于分析對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1所示，出于設(shè)計(jì)需要取板系統(tǒng)與托板系統(tǒng)主要依靠連接板2與絲桿系統(tǒng)1進(jìn)行連接，其中呈T字型的連接板2具有單向大懸臂的特點(diǎn)，受力情況十分復(fù)雜。為確保設(shè)備正常工作，需要對(duì)連接板進(jìn)行形變分析的同時(shí)給出最佳設(shè)計(jì)方案。

考慮到目前各大型軟件間均提供了較好的通信接口，可進(jìn)行相互間的文件傳輸、調(diào)用以充分發(fā)揮各軟件優(yōu)勢(shì)，提高計(jì)算精度[3]。這里采用ADAMS與ANSYS聯(lián)合仿真的方式獲取連接板2的受力情況，再將其用于ANSYS的形變分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 托取板部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意

2 ADAMS與ANSYS聯(lián)合仿真

2.1 剛?cè)狁詈侠碚摶A(chǔ)

由于系統(tǒng)和構(gòu)件之間存在著相互影響的關(guān)系，若某一構(gòu)件的受力或形狀發(fā)生變化時(shí)，可能會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的受力分布，因此在對(duì)多體系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)必須考慮柔性體的影響[4,5]。

為使分析結(jié)果更接近真實(shí)情況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真前，需對(duì)分析物體作柔性化建模處理。通過ADAMS與ANSYS的接口功能，在ADAMS中導(dǎo)入已生成的模態(tài)中性文件并建立連接板柔體模型，進(jìn)而創(chuàng)建含柔性體的運(yùn)板裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚6]。

2.2 獲取連接板受力文件

托取板部件的實(shí)體建模主要在Proe中進(jìn)行，圖2為建立的托取板部件模型，將建好的模型存為拓展名為*.X_T的Parasolid格式文件，并導(dǎo)入ANSYS。選擇Solid 45單元對(duì)連接板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立相應(yīng)的剛性區(qū)域，如圖3所示為待分析連接板上界面點(diǎn)位置與剛性連接區(qū)域。

圖2 托取板部件模型

圖3 界面點(diǎn)剛性聯(lián)接區(qū)域

生成ADAMS可讀取的MNF模態(tài)文件，并將MNF文件導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。圖4(a)所示為仿真時(shí)間段柔性連接板2的質(zhì)心位移圖，由圖可知最大位移約在0.01～0.02之間，截取該處波峰圖如圖4(b)所示，可知最大位移出現(xiàn)在0.016s處。通過ADAMS接口輸出這一時(shí)間的載荷文件，需要注意的是，為方便之后優(yōu)化設(shè)計(jì)，這里可以最好采用mmKS單位制輸出。

圖4 連接板動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

3 連接板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 建立約束方程

簡(jiǎn)化后的連接板二維圖如圖5所示，根據(jù)連接板與周圍結(jié)構(gòu)連接可以列出如下約束方程：

依結(jié)構(gòu)尺寸約束（單位：mm）：

依應(yīng)力應(yīng)變約束（單位：Mpa）：

其中：

b為依據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定，這里初步選為110；

圖5 連接板優(yōu)化設(shè)計(jì)二維圖

3.2 連接板優(yōu)化模型建立

為降低連接板在ANSYS中的網(wǎng)格劃分難度并減少計(jì)算量，參數(shù)化建模時(shí)需對(duì)連接板作出必要簡(jiǎn)化，例如去掉倒角以及部分對(duì)分析結(jié)果影響不大的螺紋孔等，并對(duì)連接板各受力面或約束面進(jìn)行單獨(dú)切出，同時(shí)依據(jù)式(1)～式(3)定義相關(guān)參數(shù)，所建立有限元模型如圖6所示。

圖6 連接板有限元模型

考慮到優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可能引起的形狀不規(guī)則，為避免優(yōu)化設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，這里采用Solid 45單元對(duì)連接板智能網(wǎng)格劃分。由于優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)重新劃分網(wǎng)格以及單元，故施加約束或力的對(duì)象只能是劃分網(wǎng)格前連接板已有的點(diǎn)線面體等結(jié)構(gòu)。通過分析圖1以及*.lod文件可以得出施加正壓力如表1所示。

表1 施加正壓力大小

利用ADAMS與ANSYS的接口程序?qū)⑿薷暮蟮?.lod文件中的相關(guān)指令輸入，該指令主要包含靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)各部件受到的加速度以及角加速度等，修改后的指令為：

TIME,1.60000e-002

ACEL,-8.38109e+000,1.74554e-001,-1.74876e+001

OMEGA,1.22719e-002,-1.75388e-002,-7.58854e-004

DOMEGA-8.87435e-001,3.45425e+001,1.79959e+000,

LSWRITE

保持該指令文件所在位置不變，依據(jù)圖1及表1對(duì)連接板施加力和約束，施加約束以及受力后的連接板如圖7所示。

圖7 連接板施加約束以及受力

表2 連接板相關(guān)參數(shù)

利用Solve程序進(jìn)行求解運(yùn)算，連接板的質(zhì)量、最大應(yīng)力、最大應(yīng)變，讀取出的相關(guān)參數(shù)如表2所示, 為使設(shè)計(jì)更加合理，這里將約束參數(shù)取整，設(shè)定最大應(yīng)力為20Mpa，最大應(yīng)變?yōu)?.15mm。

ANSYS提供了2種主要的優(yōu)化方法，即零階方法(sub-problem)和一階方法(first-order)[7]。其中零階方法的優(yōu)點(diǎn)是能更好地研究整個(gè)設(shè)計(jì)空間，容易收斂于全局最優(yōu)解，收斂速度也較快，缺點(diǎn)是精度相對(duì)較低。而一階方法在優(yōu)化過時(shí)具有較高的精度，缺點(diǎn)是耗時(shí)長(zhǎng)。

為獲得更精確的全局優(yōu)化解，本文提出了一種綜合2種方法的優(yōu)化方法，即先通過零階方法獲取全局優(yōu)化解后，采用一階方法尋求該優(yōu)化解附近的局部?jī)?yōu)化解。再在該局部?jī)?yōu)化解的基礎(chǔ)上進(jìn)行零階方法重新尋求全局優(yōu)化解，反復(fù)循環(huán)至優(yōu)化解不在改變?yōu)橹?。這里選擇設(shè)定零階計(jì)算的值為30次，一階的方式為10次。優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

由表3可知，最佳優(yōu)化序列為29，重量減少15.7%，同時(shí)最大應(yīng)力減少23.3%，最大應(yīng)變?yōu)?.148mm，且強(qiáng)度剛度滿足要求。

表3 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)照表

4 結(jié)束語

通過ADAMS與ANSYS的聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)軟件間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，基于運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)中柔性體進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，避免復(fù)雜數(shù)學(xué)模型建立的同時(shí)更能得出較數(shù)學(xué)模型更具說服力的仿真結(jié)果。

其次，有限元分析技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對(duì)連接板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證其各項(xiàng)性能都滿足設(shè)計(jì)要求下，優(yōu)化出更合理的結(jié)構(gòu)，為該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)指明了方向。

[1] 鐘志華,周彥偉.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2001.

[2] 鄧澤英.車身輕量化材料的應(yīng)用[J].重型汽車,2000.(4)：16-18.

[3] 山玉波,劉峰,馬剛,等.基于Pro/E/ADAMS/ ANSYS的虛擬設(shè)計(jì)[J],煤礦機(jī)械,2010,31(11)：229-231.

[4] 鐘昕,楊汝清,等.多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模理論及其應(yīng)用[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002,21(3)：387-389.

[5] 張永德,汪洋濤,等.基于Ansys與Adams的柔性體聯(lián)合仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(17)：4501-4504.

[6] 程康.基于Adams的越野車獨(dú)立懸掛仿真研究[D].武漢理工大學(xué),2011.

[7] 孫文瑜,徐成賢,朱德通.最優(yōu)化方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.