柴油機發(fā)電模塊運輸?shù)鬃冃驮O計及優(yōu)化

楊博，戎志祥，潘熙希

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所 a.動力裝置事業(yè)部；b.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，上海 200090)

柴油機發(fā)電模塊運輸?shù)鬃ǔ８鶕?jù)動力模塊外形結構和安裝形式進行非標設計，設計過程中需要考慮的因素較多，包括客戶需求、安全性、經(jīng)濟成本、生產(chǎn)工藝，以及運輸條件等。由于設計很難一次性滿足多目標需求(如校核后發(fā)現(xiàn)強度不達標)，再加上設計輸入變更，通常需要反復修改；不同動力模塊的外形結構、安裝方式相似，運輸?shù)鬃嗍欠抡漳感瓦\輸?shù)鬃O計得到的，重復工作較多。因此，運輸?shù)鬃脑O計效率存在提升空間。另一方面，運輸?shù)鬃葯C械產(chǎn)品的設計過程中需要考慮客戶需求、安全性，以及經(jīng)濟成本等多因素，設計側重點不同，如何量化、兼容各個因素是設計過程的難點。對于此類問題，一般通過多目標優(yōu)化解決，目前用于多目標優(yōu)化的智能算法，如粒子群算法[1]、遺傳算法[2]等主要適用于優(yōu)化變量和目標較復雜、目標權重難以量化的情況。運輸?shù)鬃Y構相對簡單，優(yōu)化變量和目標相對較少，智能優(yōu)化算法的優(yōu)勢不明顯，缺點相對突出，比如，缺少對解的優(yōu)異性的論證等[3]。因此，如何選擇合適的算法實現(xiàn)運輸?shù)鬃O計過程中的多目標兼容，是運輸?shù)鬃O計過程中需要解決的問題。為此，分析通過運輸?shù)鬃鶇?shù)化建模和變型設計，基于Inventor API(application program interface)開發(fā)變型設計程序，減少設計過程中的手動計算和操作，提升設計效率；建立滿意度與安全性(最大應力)、經(jīng)濟成本(質(zhì)量)、運輸條件(高度)之間的函數(shù)模型，通過開展運輸?shù)鬃鶟M意度優(yōu)化，實現(xiàn)對多目標的兼容。

1 變型設計及多目標優(yōu)化技術

模塊化變型設計和參數(shù)化變型設計是較為常見的兩種變型設計方法[4]，前者適用于復雜機械產(chǎn)品，主要是對子模塊的增加、刪除、替換，后者通過參數(shù)化建模對產(chǎn)品尺寸、配合關系進行修改，側重于產(chǎn)品細節(jié)。考慮到運輸?shù)鬃Y構相對簡單，采用參數(shù)化變型設計方法。

運輸?shù)鬃脑O計過程是一個多目標優(yōu)化過程。傳統(tǒng)算法將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標問題進行求解，算法結構清晰、理論可靠，但不適用于復雜問題；智能算法如蟻群算法、遺傳算法等獲得的是帕累托最優(yōu)解，但缺少對解的優(yōu)異性的論證，適用于目標較多的問題?？蛻粼u判方案質(zhì)量的依據(jù)往往是滿意性[5]，部分學者將該理論用于機械產(chǎn)品設計[6-7]，通過建立滿意度模型將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)闈M意度單目標問題，從而進一步開展優(yōu)化設計研究?；谠摲椒ǎ瑥目蛻魸M意度角度出發(fā)，建立優(yōu)化目標與滿意度之間的函數(shù)關系，通過開展?jié)M意度優(yōu)化研究實現(xiàn)對運輸?shù)鬃膬?yōu)化設計。

2 客戶需求

動力模塊外形、尺寸、安裝條件見圖1。該模塊主要由柴油機、發(fā)電機、彈性聯(lián)軸器、輔助設備、自由端管系構成，模塊長、寬、高約9 000 mm×2 250 mm×4 100 mm，質(zhì)量約88 t，需要針對模塊設計一款運輸?shù)鬃＝Y合運輸條件、生產(chǎn)工藝、安全性等，整理客戶需求見表1。

圖1 動力模塊模型

表1 客戶需求表

3 參數(shù)化變型設計

以典型運輸?shù)鬃鶠槟感停贗nventor API進行參數(shù)化建模，采用Visual Basic語言開展變型設計，結合ANSYS有限元分析軟件，評估變型設計結果是否滿足客戶需求。

3.1 運輸?shù)鬃感?/h3>

為典型動力模塊的外形結構見圖2。

圖2 典型動力模塊外形

動力模塊縱向剖面為倒“凸”形，其中凸肩為隔振器安裝面，通過該安裝面連接運輸?shù)鬃?。某型國產(chǎn)動力模塊的運輸?shù)鬃妶D3，主體材料采用Q235，該型運輸?shù)鬃淖畲筇攸c在于：主體采用H型鋼，降低了加工周期和難度；中間肘板采用緊湊式大圓角設計，側向承載能力較強。以該運輸?shù)鬃鶠槟感汀?/p>

圖3 某型動力模塊運輸?shù)鬃?/p>

3.2 變型設計的程序?qū)崿F(xiàn)

首先對運輸?shù)鬃感瓦M行簡化并梳理零部件，考慮到吊耳、連接螺栓與運輸?shù)鬃渌Y構件相關性較低，變型設計中暫不予考慮。母型的部分零部件見表2。根據(jù)結構復雜程度將零部件分為標準件、相似件，標準件根據(jù)國家、行業(yè)等標準選用，或簡單修改后使用，幾乎不含可變參數(shù)；相似件功能相近，形狀、尺寸略有差異，可變參數(shù)較多，是變型設計的主要對象。對于零部件的尺寸參數(shù)，根據(jù)各參數(shù)的變化情況將尺寸參數(shù)分為不變參數(shù)、可變參數(shù)及導出參數(shù)[8]。不變參數(shù)在零部件的變型設計中保持不變，比如，支撐面板腰孔的長寬尺寸；可變參數(shù)是指變型設計過程中可以改變的參數(shù)，是驅(qū)動變型設計的核心，比如H型鋼型號、肘板厚度；導出參數(shù)是指通過其他參數(shù)計算出來的參數(shù)，如運輸?shù)鬃叨取?/p>

表2 運輸?shù)鬃感土悴考?部分)

在Inventor中完成母型零部件和客戶動力模塊的參數(shù)化建模，采用VB語言基于Inventor API接口開展變型設計[9]，設計流程見圖4。

圖4 運輸?shù)鬃冃驮O計流程

根據(jù)型材標準編制型材數(shù)據(jù)庫文檔，通過參數(shù)化建模和型材選用算法實現(xiàn)變型設計過程中型材的自動選型；根據(jù)動力模塊外形尺寸、隔振器位置以及客戶需求，通過參數(shù)化設計實現(xiàn)支撐部件、肘板的自動設計和定位，結合iMate功能[10]實現(xiàn)運輸?shù)鬃膮?shù)化裝配；自動讀入動力模塊模型檢查干涉情況，最后經(jīng)強度校核形成多組變型設計方案。其中H型鋼的選用主要由公共底座凸肩深度、肘板高度、角鋼寬度決定，肘板長度、寬度由隔振器跨距、油底殼/發(fā)電機深度確定，肘板圓角直徑由油底殼深度、H型鋼寬度、吊裝落座精度等綜合確定。

3.3 變型結果分析

由變型設計獲得多組方案，選取其中3組典型的方案見圖5。主要可變參數(shù)以及底座高度、質(zhì)量等參數(shù)見表3。其中高度、質(zhì)量參數(shù)通過Inventor提取，最大應力通過ANSYS求解獲得。ANSYS計算時的網(wǎng)格劃分情況及邊界條件見圖6,其中主體采用六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸50 mm，運輸?shù)鬃卤砻娼o定位移約束，動力模塊重心位置添加質(zhì)點(90 t)并作用在運輸?shù)鬃习惭b面，給定重力加速度(9.80 m/s2)和側向加速度(1.96 m/s2)。

圖5 運輸?shù)鬃冃驮O計方案

表3 變型設計方案的主要參數(shù)

圖6 有限元計算網(wǎng)格及邊界條件

根據(jù)運輸條件要求，運輸?shù)鬃母叨炔粦^1 700 mm；對于Q235鋼，一般取安全系數(shù)1.25，則材料許用應力為188 MPa；根據(jù)客戶需求，運輸?shù)鬃|(zhì)量不超過6 t。根據(jù)表3，3組變型設計方案均滿足客戶需求。

4 基于滿意度的多目標優(yōu)化

4.1 DOE計算及分析

對于運輸?shù)鬃蛻糁饕P心運輸條件、成本，以及安全性，從設計角度主要是考慮運輸?shù)鬃母叨?、質(zhì)量和最大應力，因此選取這三者作為優(yōu)化目標；與之相關性較高的可變參數(shù)有H型鋼型號、角鋼型號、肘板厚度、肘板面板厚度、肘板襯板厚度，以及孔徑系數(shù)(對應肘板開孔大小，孔徑系數(shù)為實際孔徑與母型孔徑之比)，因此將這6項可變參數(shù)作為優(yōu)化變量。優(yōu)化變量的取值范圍見表4。

表4 變量取值范圍

基于運輸?shù)鬃鶇?shù)化變型設計方法，結合ANSYS Workbench開展DOE計算。優(yōu)化變量均取離散值，取值范圍較小，計算共486組，對所有組合下的運輸?shù)鬃叨?、質(zhì)量、最大應力進行遍歷求解。優(yōu)化變量對各優(yōu)化目標的影響見圖7，如圖7a)，1、2、3號H型鋼規(guī)格依次增大，相應的運輸?shù)鬃叨取①|(zhì)量依次增加，其中采用3號H型鋼比采用1號型鋼的底座重約35%，高約16%；如圖7b)，角鋼主要影響運輸?shù)鬃淖畲髴Γx用高規(guī)格角鋼在一定范圍內(nèi)可以提高運輸?shù)鬃鶑姸?；如圖7c)，肘板厚度主要影響運輸?shù)鬃淖畲髴ΓS著肘板厚度增加，最大應力有所降低，而質(zhì)量并不會增加很多；肘板襯板、肘板面板以及孔徑系數(shù)對優(yōu)化目標的影響較小。因此運輸?shù)鬃谧冃驮O計過程中，應重點考慮H型鋼和角鋼的選型，以及肘板厚度的選擇。

圖7 優(yōu)化變量對各優(yōu)化目標的影響

4.2 綜合滿意度函數(shù)構建

對于理想的最好解與最差解已知的情況下，如果解空間和滿意度有某種函數(shù)關系，可以采用類線性函數(shù)[11]。根據(jù)客戶要求以及設計經(jīng)驗確定高度、重量、最大應力理想的最好解與最差解，與客戶交流，確定高度、重量、最大應力與滿意度之間的函數(shù)關系，見圖8。

圖8 滿意度與各目標之間的函數(shù)關系

高度方面，公共底座凸肩到公共底座底部距離約750 mm，因此運輸?shù)鬃叨茸钚?50 mm，對應高度最好解，客戶要求高度不超過1 700 mm，對應最差解；運輸?shù)鬃降?，運輸時車輛的通過性越好，因此滿意度-高度近似為線性函數(shù)。質(zhì)量方面，客戶要求運輸?shù)鬃|(zhì)量不超過6 t，因此6 t對應最差解；運輸?shù)鬃|(zhì)量接近6 t時，滿意度變化較大，故滿意度-質(zhì)量采用拋物線函數(shù)近似。最大應力方面，運輸?shù)鬃饕惺芾瓑簯?根據(jù)《機械設計手冊》機架設計相關章節(jié)[12]，對于Q235材料，安全系數(shù)一般取1.2～2.0，折減系數(shù)取1.0～1.4，因此保守估計的材料許用應力為235/2/1.4=84 MPa，因此84MPa對應最大應力最好解，不保守估計的許用應力為235/1.2/1=195 MPa，因此195 MPa對應最大應力最差解；當最大應力接近195 MPa時，滿意度變化較大，故滿意度-最大應力采用拋物線函數(shù)近似。

采用線性加權方法構建綜合滿意度函數(shù)，考慮到客戶對安全性要求較高，根據(jù)設計經(jīng)驗及公開文獻[13]，對高度、質(zhì)量，以及最大應力滿意度的權重系數(shù)分別取0.2、0.3、0.5，綜合滿意度c表示為

c=0.2f(h)+0.3g(m)+0.5s(σ)

(1)

式中:f(h)為高度滿意度函數(shù)；h為高度(單位：mm)；g(m)為質(zhì)量滿意度函數(shù)；m為質(zhì)量(單位：kg)；s(σ)為最大應力滿意度函數(shù)；σ為最大應力(單位：MPa)。

4.3 滿意度優(yōu)化

根據(jù)式(1)以及DOE計算結果，不同變量組合下的綜合滿意度見圖9。

圖9 滿意度優(yōu)化結果

H型鋼的選取是綜合滿意度的重要影響因素，其中采用1號型鋼的運輸?shù)鬃C合滿意度比采用3號型鋼的運輸?shù)鬃骄呒s70%，主要是因為1號型鋼高度(850 mm)低于3號型鋼(1 000 mm)，質(zhì)量更輕，相應的高度、質(zhì)量指標更優(yōu)秀，側向載荷承載能力相對更強，因此運輸?shù)鬃O計過程中應盡量選取小規(guī)格H型鋼。優(yōu)化結果見表5，最滿意方案與方案1相似，主要區(qū)別在于選用了小規(guī)格角鋼、更薄的肘板和更大的孔徑系數(shù)，相比于方案1、方案2和方案3，最滿意方案的質(zhì)量降低了0.2%、11.0%、26.0%，最大應力降低31%、18%、22%，綜合滿意度提高了17%、30%和103%，最滿意方案的滿意度達到了0.61。

表5 優(yōu)化前后的綜合滿意度對比

5 結論

1)通過參數(shù)化變型設計，可減少設計過程中的手動裝配、參數(shù)計算和修改工作，降低產(chǎn)生人為失誤的風險，提高運輸?shù)鬃脑O計效率；

2)通過滿意度優(yōu)化形成的最終方案，其高度、質(zhì)量、最大應力參數(shù)相比于3組變型設計方案獲得了改善，綜合滿意度相比于3組方案分別提升了17%、30%和103%；

3)變型設計和滿意度優(yōu)化可以通過設計軟件、仿真軟件的二次開發(fā)接口，結合變型設計算法、滿意度函數(shù)模型等實現(xiàn)，可以提高設計響應速度，兼顧多方面設計目標，是提升運輸?shù)鬃鶖?shù)字化設計水平的有效手段。