基于ADAMS和ANSYS Workbench的氣浮導(dǎo)軌防脫氣浮塔優(yōu)化設(shè)計

葉必卿，岳浩浩，蔡 健，商堯軍

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 450000)

0 引 言

為了保證太空設(shè)備能成功完成任務(wù)，需要在升空前進(jìn)行充分的試驗，以驗證和評估空間設(shè)備的性能[1]。

太陽翼試驗展開架是在地面上搭建的零重力環(huán)境試驗裝置，模擬太空零重力環(huán)境，用于太陽翼組裝地面展開試驗以及與衛(wèi)星星體對接[2]。氣浮導(dǎo)軌是太陽翼試驗展開架中的核心部分，氣浮導(dǎo)軌系統(tǒng)主要由橫導(dǎo)軌、縱導(dǎo)軌、氣浮連接、氣浮吊掛滑車、氣浮墊等組成。太陽翼的展開過程由橫導(dǎo)軌在縱導(dǎo)軌上的縱向運(yùn)動和氣浮吊掛滑車在橫導(dǎo)軌上的橫向運(yùn)動組成，兩者的運(yùn)動合成使得太陽翼充分展開。在太陽翼的展開過程中，當(dāng)氣浮吊掛滑車偏向橫導(dǎo)軌單邊時，橫導(dǎo)軌將會對氣浮連接造成較大的沖擊，導(dǎo)致氣浮連接中的防脫氣浮塔產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力，最終導(dǎo)致氣浮連接卡死在縱導(dǎo)軌上，影響太陽翼的順利展開。

本文將運(yùn)用SolidWorks對氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行三維建模，建立其多體動力學(xué)模型[3]，利用ANSYS Workbench建立其有限元模型[4]，對防脫氣浮塔進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，計算防脫氣浮塔的應(yīng)力、變形，并對防脫氣浮塔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[5]。

1 氣浮導(dǎo)軌的三維建模

氣浮導(dǎo)軌主要由橫導(dǎo)軌、縱導(dǎo)軌、氣浮連接、氣浮吊掛滑車、氣浮墊組成。本研究運(yùn)用SolidWorks對氣浮導(dǎo)軌的各個零部件進(jìn)行參數(shù)化建模，并進(jìn)行裝配。對左右兩端氣浮連接的裝配體進(jìn)行SolidWorks模型簡化，并對縱導(dǎo)軌和氣浮墊進(jìn)行相應(yīng)的模型簡化。

氣浮導(dǎo)軌的三維模型如圖1所示。

圖1 氣浮導(dǎo)軌的三維模型

2 氣浮導(dǎo)軌的多體動力學(xué)仿真

太陽翼展開過程中，當(dāng)橫導(dǎo)軌上的氣浮吊掛滑車偏向單邊時，橫導(dǎo)軌對氣浮連接的慣性力將會對防脫氣浮塔造成很大的動載荷，為了研究防脫氣浮塔的應(yīng)力和變形，需用ADAMS仿真分析橫導(dǎo)軌在載荷偏向單邊的加速運(yùn)動過程中防脫氣浮塔所受的最大動載荷。

2.1 多體動力學(xué)仿真

本研究將簡化后的SolidWorks導(dǎo)入ADAMS中[6]，創(chuàng)建新材料：6061鋁合金密度為ρ=2 700 kg/m3，彈性模量為E=6.9×1010Pa，泊松比μ=0.33；7075鋁合金密度為ρ=2 810 kg/m3，彈性模量為E=7.2×1010Pa，泊松比μ=0.33。將橫導(dǎo)軌和縱導(dǎo)軌材料屬性設(shè)置為6061鋁合金，其他零部件材料屬性均設(shè)置為7075鋁合金，建立好各個零件之間約束關(guān)系。

本研究將上述的仿真模型中的8個防脫氣浮塔替換為經(jīng)過ANSYS Workbench柔性化處理后的三維模型，分別將8個防脫氣浮塔的用于固定的4個孔和下端用于固定氣浮墊的螺紋孔的圓柱面設(shè)置為剛形體與柔性體的連接區(qū)域，并設(shè)置相應(yīng)的節(jié)點。在ADAMS中將防脫氣浮塔的相應(yīng)節(jié)點與下氣浮墊和氣浮墊支撐架建立固定約束。

仿真模型的部分約束關(guān)系如圖2所示。

圖2 固定端氣浮連接仿真模型

氣浮吊掛滑車偏向固定端時，設(shè)置橫導(dǎo)軌的加速度為0.3 m/s2，吊點載荷為800 N，仿真時間為3 s，仿真步驟為300步，即0.01 s輸出一個結(jié)果。所獲得的8個防脫氣浮塔中最大的動載荷為固定約束Joint13，運(yùn)動仿真完成后得出受力曲線，如圖3所示。

圖3 Joint13的受力分析曲線

2.2 結(jié)果分析

從固定約束Joint13的受力分析曲線上可以看出：在橫導(dǎo)軌的氣浮吊掛偏向單邊時，防脫氣浮塔受到的最大動載荷沿x軸方向最大，即偏離縱導(dǎo)軌的方向，最大載荷約80 N，其他兩個方向載荷較小，約10 N。由于后續(xù)ANSYS Workbench中的優(yōu)化分析需要得到ADAMS中準(zhǔn)確的受力大小及方向，因此，需要導(dǎo)出節(jié)點受力最大的某時刻分析數(shù)據(jù)文件。

3 防脫氣浮塔的有限元分析

3.1 有限元分析

將防脫氣浮塔的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件后，首先定義其材料屬性，將材料定義為7075鋁合金。

防脫氣浮塔采用自由網(wǎng)格劃分法，共有56 360個單元和87 069個節(jié)點。

根據(jù)防脫氣浮塔的工作情況，本研究對4個螺紋孔進(jìn)行固定，參照ADAMS導(dǎo)出的FEA-loads文件對受力面施加載荷[7]，然后對防脫氣浮塔的變形和應(yīng)力進(jìn)行求解計算，得到y(tǒng)軸方向變形為3.308 mm，z軸方向變形為9.861 mm，最大應(yīng)力為415 MPa。

防脫氣浮塔的有限元模型與靜力分析如圖4所示。

圖4 防脫氣浮塔的有限元模型與靜力分析

3.2 結(jié)果分析

通過對防脫氣浮塔的靜力分析可知，結(jié)構(gòu)設(shè)計中對下氣浮墊固定的球形凹槽深度為3 mm，即最大動載荷造成的變形將會使下氣浮墊脫落或卡死，影響整個太陽翼展開過程，因此有必要對防脫氣浮塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

4 防脫氣浮塔的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

4.1 參數(shù)化建模

首先本研究運(yùn)用SolidWorks對防脫氣浮塔進(jìn)行參數(shù)化建模，其三維模型如圖5所示。

圖5 防脫氣浮塔的三維模型

模型主要包括底板、側(cè)板、頂座3部分，其中頂座還有4個替代螺紋孔用于約束的圓孔。定義底板寬度為DS_D1、側(cè)板厚度為DS_D2、頂座與側(cè)板距離DS_D3。

4.2 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

有限元模型。將參數(shù)化建模后的防脫氣浮塔三維模型導(dǎo)入Static Structural，在DesignerModeler中將3個參數(shù)設(shè)置為參數(shù)化，生成參數(shù)化設(shè)置模塊Parameter Set。在靜力分析中完成網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、求解計算等，為多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計提供優(yōu)化環(huán)境。

確定設(shè)計變量。創(chuàng)建Response Surface Optimization模塊進(jìn)行優(yōu)化分析，確定3個設(shè)計變量的變化范圍：17 mm≤D1≤23 mm，2 mm≤D2≤6 mm，3 mm≤D3≤5 mm，設(shè)計變量的初值為分別為18 mm、2.5 mm、4 mm。

優(yōu)化計算結(jié)果。Ansys Workbench在各參數(shù)范圍內(nèi)選擇足夠數(shù)量的測量點進(jìn)行組合生成設(shè)計點，經(jīng)過50次優(yōu)化迭代，得到了50組優(yōu)化設(shè)計點。

響應(yīng)面分析。根據(jù)50組優(yōu)化設(shè)計點，得到各輸入點及各輸出點擬合構(gòu)造響應(yīng)面[8]，通過對響應(yīng)面的分析確定最優(yōu)條件。不同設(shè)計變量對防脫氣浮塔的總變形量和最大應(yīng)力的關(guān)鍵響應(yīng)曲面如圖6所示。

通過圖6的響應(yīng)曲面可得：底板寬度D1和側(cè)板厚度D2對變形和應(yīng)力的影響中，D2對其影響較大；側(cè)板厚度為D2和頂座與側(cè)板距離D3對變形和應(yīng)力的影響中，D2對其影響較大；頂座與側(cè)板距離D3和底板寬度為D1對變形和應(yīng)力的影響上，D1和D3對應(yīng)力和變形影響小。

圖6 響應(yīng)曲面

目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化。由響應(yīng)分析得出擦板厚度對變形和應(yīng)力影響較大，因此可將變形和應(yīng)力作為設(shè)計目標(biāo)，由于變形為負(fù)方向，將變形量設(shè)置為最大，應(yīng)力設(shè)置為最小。通過目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化，得到基于目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)的3個候選方案，如圖7所示。

圖7 候選方案

參考以上候選方案，考慮到加工精度，得到最終的優(yōu)化設(shè)計方案：底板寬度D1=18 mm，側(cè)板厚度D2=6 mm，頂座與側(cè)板距離D3=4.5 mm。

4.3 優(yōu)化前后對比分析

根據(jù)最優(yōu)化設(shè)計方案，本研究對防脫氣浮塔重新建模，并進(jìn)行有限元分析，將ADAMS中導(dǎo)出的FEA-loads文件對受力面施加載荷，得到優(yōu)化后防脫氣浮塔的最大變形和最大應(yīng)力。

優(yōu)化后防脫氣浮塔的有限元分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后防脫氣浮塔的有限元分析

各個參數(shù)優(yōu)化前后的數(shù)值及變化如表1所示。

表1 各參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與優(yōu)化前比較

由優(yōu)化結(jié)果可知：防脫氣浮塔的最大變形量和最大應(yīng)力均有明顯減小，剛度和強(qiáng)度均有大幅提高，證明了多目標(biāo)優(yōu)化方案的合理性。

5 結(jié)束語

通過ADAMS與Ansys Workbench，本文解決了以往防脫氣浮塔的優(yōu)化中結(jié)構(gòu)施加不準(zhǔn)確載荷的問題[9]；通過ADAMS多體動力學(xué)仿真計算出防脫氣浮塔的最大動載荷，將其分析結(jié)果導(dǎo)入有限元分析中，通過ANSYS Workbench中的Response Surface Optimization模塊進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化的方法使得結(jié)構(gòu)無論在變形還是應(yīng)力方面均變得更優(yōu)，證明了方案的可行性。

但是本文在優(yōu)化過程中未考慮防脫氣浮塔的接觸力，這有待于在接下來的進(jìn)一步研究中加以優(yōu)化。