基于SolidWorks Simulation的新型魚雷支架優化設計

吳應東

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基于SolidWorks Simulation的新型魚雷支架優化設計

吳應東

(昆明船舶設備研究實驗中心, 云南 昆明, 650051)

針對傳統魚雷支架制作成本較高、占地面積大、不利于搬運等缺點, 基于SolidWorks設計了一種可插拔式堆疊的新型魚雷支架, 該雷架采用注塑成型, 在保證支架強度的同時, 可極大簡化支架的加工程序并降低成本, 使其占地面積降至原有的1/10以下。同時基于SolidWorks Simulation插件完成該支架有限元分析以及結構優化, 優化結果進一步證明了該設計方案的可行性。

魚雷支架; 可插拔式; 堆疊; SolidWorks; 優化設計

0 引言

為了方便調試、存放或運輸魚雷, 需要制作與魚雷外徑相適應的魚雷支架。以往雷架基本采用型材焊接, 在上端粘貼毛氈, 形成魚雷支撐弧面, 這種雷架由于結實耐用而得到廣泛應用。但隨著魚雷調試批量的增加, 這種雷架的弊端逐漸凸顯: 當雷架大量閑置的時候, 各個雷架不能疊放, 將占用大量的場地, 同時也不利于雷架的運輸; 另外, 其制作過程較為繁瑣, 成本也相對較高。因此, 本文考慮設計一種類似塑料凳可插拔式堆疊的新型雷架。

采用SolidWorks軟件完成雷架基本構型的設計。該雷架的制作采用注塑, 需要制作相應的模具。在模具制作完成之前, 并沒有很好的方法對產品的強度進行驗證, 加之模具本身尺寸較大, 產品加工風險很高, 但也不能一味通過加厚雷架壁面厚度來充分保證其強度, 因為這也將增加模具加工成本以及單個雷架的原料成本。基于此, 采用SolidWorks Simulation插件對雷架模型進行了有限元分析, 模擬其受力及變形情況。同時, 基于SolidWorks參數化的特點設置幾個重要尺寸變量, 在優化設計過程中, 通過改變這些變量構造多種方案, 從中找出相對合理的設計。

1 可插拔式堆疊魚雷支架設計

可插拔式堆疊的魚雷支架整體采用注塑成型, 為了實現雷架可插拔式堆疊的功能, 采用內腔中空結構, 中空的4個側面傾斜設計, 如圖1所示。圖中, 雷架主要構件包括雷架主體(1)、內腔(2)、雷體支撐弧(3)、4個與地面接觸的支腳(4)、兩側用于手工搬運的提拉口(5)以及用于固定其他輔助裝置的定位孔(6), 關鍵尺寸為1,1,2,2。其中, 為了加強整體強度, 在內腔的4個角以及內腔壁上設計有加強筋結構?？紤]到魚雷外徑有時候并不是標準的圓柱面, 在上端留有定位孔, 必要的時候可安裝不規則支撐弧面。

圖1 可插拔式堆疊雷架結構示意圖

在實際工作時, 一般2個雷架首尾放置。單個支架能夠承受不小于1 200 kg的壓力。為充分保證強度, 在注塑的時候選用強度較高的ABS塑料, 其最大張力強度達到3×107N/m2。

2 支架有限元分析及結構優化

有限元法(finite element method, FEM)是將連續體離散化, 通過對有限個單元插值求解各種力學、物理問題的一種數值方法[1-4]。有限元分析可分成3個階段: 前置處理、計算求解和后置處理。前置處理是建立有限元模型, 完成單元網格劃分; 后置處理則是采集處理分析結果, 方便用戶提取信息, 了解計算結果。

目前的有限元分析軟件中使用最為普遍的是ANSYS, SolidWorks構建的3D模型可先另存為parasolid格式, 在ANSYS中便能打開進行分析。本文則采用Simulation插件完成有限元分析及結構優化過程。Simulation作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成。運用SolidWorks Simulation, 一般的工程技術人員便可以進行產品分析, 快速得到相應的分析結果, SolidWorks Simulation能夠提供豐富的計算與分析工具來對較復雜零件及裝配體進行運算、測試和分析, 主要功能包括應力計算與分析、應變計算與分析、產品設計及優化、線性與非線性分析等[5]。

Simulation中的有限元分析過程也分為前處理、計算以及后處理階段。首先設置雷架材料為ABS, 固定雷架的4個支腳, 在上端圓弧支撐面添加12000N的軸承載荷并完成有限元網格劃分。該過程盡量真實模擬雷架的實際工作情況。在SolidWorks Simulation中, 網格劃分越精細, 結果就越精確, 但是計算速度也會越慢。判定計算結果基本合理有2種方法: 第一, 查看Von Mises應力中的波節值(即網格節點應力值)和單元值(即有限元網格平均應力值), 若兩者最大值相差不到5%, 就可認為現有計算實例精度足夠; 第二, 前后兩次計算的Von Mises應力值相差不到5%, 即是網格的細化帶來結果的變化很小, 也可認為計算精度足夠。

當雷架壁厚設定為4 mm時, 其應力分布如圖2所示, 最大應力處于上端圓弧底端, 約為2.5×107N/m2, 比較危險。因此考慮增加壁厚或者改變其他尺寸。

圖2 壁厚為4 mm時雷架應力分布

優化設計的原理是建立優化模型, 運用相關優化算法, 通過滿足設計要求的條件下迭代計算, 求得目標函數的極值, 得到最優設計方案[6]。

優化設計問題的數學模型可表示為[7]

Min()=(1,2,…,x)

Find=(1,2,…,x)T∈R

g()=(1,2,…,x)≤0=(1, 2, …,)

h()=(1,2,…,x)=0=(1, 2, …,)

其中:()為目標函數, 為設計變量的函數;x為設計變量;g()為約束條件;和是狀態變量的個數。目標函數是最小化函數, 一般包括尺寸(如厚度)、質量、成本等性能準則; 設計變量為需要改變的設計輸入參數, 例如高度、寬度等, 一般在優化設計之前, 都需要限定設計變量的變化范圍; 狀態變量用于判斷設計的模型響應參數, 比如內力、應力、位移等, 合理的設計必須要保證狀態變量符合規定的限制條件, 最終的優化設計才能實現。

SolidWorks Simulation為產品結構優化提供了極大便利, 優化設計之前, 都需要對初步方案進行力學分析, 優化設計算例都將以此為基礎。優化設計主要包含2個目的, 一是對比選擇多種設計方案; 二是限定關鍵尺寸(即設計變量)變化范圍以及限制條件(狀態變量), 尋求最小化目標函數(如質量、體積)。整個方案對比或優化設計過程中, 變化的是尺寸, 材料以及外界條件(上端圓弧支撐面12 000 N的軸承載荷)都不變。

基于厚度為4 mm時的應力結果值, 考慮增加雷架壁厚, 首先對比雷架應力值隨壁厚變化的改變趨勢, 定義一個整體變量, 即代表雷架抽殼厚度, 在進行建模時, 就將抽殼特征值設置為該變量。同時在模型樹“傳感器”欄下方添加2個傳感器, 即“最大應力值max”和“體積(或質量)”, 前者將測試每次仿真后模型的最大應力值, 后者則將測試模型的體積(或質量)。最終得到模型最大應力值隨壁厚變化趨勢如圖3所示, 可見, 最大應力值隨著壁厚增加會有所減小, 在壁厚為6~7 mm之間有一個明顯的轉折, 即當壁厚小于這個范圍的時候, 隨壁厚增加, 最大應力值會快速減小, 但壁厚超過這個范圍, 應力改善并不是很明顯, 因此, 考慮將雷架壁厚設置在6~7 mm。

圖3 雷架最大應力隨壁厚變化趨勢曲線

SolidWorks Simulation多設計變量下的優化設計使用了基于“實驗設計”的優化方式。工程師提供設計變量的最大值和最小值, 選擇“標準”或“高質量”優化方式?！皹藴省狈绞郊僭O限制值之間的目標響應曲線是線性的, 只計算這些值處的響應?！案哔|量”優化會考慮到在限制值之間存在2階響應的可能性, 除了極大、極小值外還會求1個中間值。整個流程如圖4所示。

圖4 SolidWorks Simulation優化設計流程

首先設置幾個關鍵參數及其初始值, 如表1及圖1所示, 包含關鍵尺寸1,1,2,2(由于使用工況的限定, 雷架的高度被設置為固定值)以及雷架壁厚。

表1 雷架優化設計參數設置

SolidWorks Simulation中優化設計具體的實施辦法是單擊“評估”下面的“設計算例”, 然后分別對“變量”、“約束”和“目標”進行設置[8]。如表2所示, 其中設計變量就是關鍵尺寸變化范圍, 約束條件即是限定最大應力值, 為絕對安全, 設置為1×107N/m2。由于模具加工成本會隨著產品本身體積(質量)增加而大幅增長, 因此, 雷架優化設計的目標就是在充分滿足強度的條件下, 找到最小體積值, 即最少原料消耗值。

表2 雷架優化設計變量、約束及目標設置

點擊“運行”, 經過43次的迭代運算, SolidWorks Simulation將會給出各個設計情況下的結果, 并給出優化結果, 如表3所示。

從中可以看出, 在限制條件(最大應力＜1×107N/m2)下, 最佳壁厚為6.4 mm左右, 這和之前的幾組方案對比吻合, 同時幾個關鍵尺寸也有建議值, 可在充分考慮實現雷架插拔性的情況下, 擇優選擇各個關鍵尺寸數值。

表3 雷架優化設計結果

結合優化設計結果, 并在其內部設計加強筋后的新型雷架剖切視圖如圖5所示。

圖5 新型雷架剖切視圖

3 結束語

針對傳統魚雷支架占用較多場地、加工繁瑣等不足, 設計了一種可插拔式堆疊的新型魚雷支架。該新型支架占用場地可減少為原來的1/10以下, 同時采用注塑加工, 對雷架的大批量生產提供極大的便利。

為了同時兼顧雷架強度以及模具生產成本, 基于SolidWorks Simulation對初始設計方案進行了優化, 針對SolidWorks參數化的特點, 首先設置關鍵設計尺寸以及限制條件, 在該特定范圍內尋找一個最優解, 得到相對理想的結果。

由此可見, 在工程應用中, 可對初始設計方案進行優化設計尋找最優結果, SolidWorks Simulation可實現這個過程, 并可對多種設計方案進行對比, 也可在設定關鍵尺寸范圍的情況下找尋目標函數最優值。本文即采用新型魚雷支架這個例子進行了高性能的應力分析和優化分析, 實際結果表明, 具有很好的參考性。

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[8] 陳永當, 任慧娟, 武欣竹. 基于SolidWorks Simulation的有限元分析方法[J]. CAD/CAM與制造業信息化, 2011(9): 48-51. Chen Yong-dang, Ren Hui-juan, Wu Xin-zhu. Finite Element Analysis Based on SolidWorks Simulation[J]. Digital Manufacturing Industry, 2011(9): 48-51.

(責任編輯: 陳 曦)

Optimization Design of New Type Torpedo Rack Based on SolidWorks Simulation

WU Ying-dong

(Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center, Kunming 650051,China)

The structure of conventional torpedo rack has the disadvantages of high cost, large volume, and inconvenient movement. Therefore, a new type of pluggable and stackable rack is designed for a torpedo based on the software SolidWorks Simulation. This new rack is made with injection molding technology to decrease the cost, simplify the machining process, and reduce its covering area to less than 1/10 of original one without the decrease in its strength. Moreover, optimization design and finite element analysis of the new torpedo rack are conducted based on SolidWorks Simulation. The final design reduces the volume of mold and the raw materials, and the strength of the new type of torpedo rack is enhanced.

torpedo rack; pluggable; stackable; SolidWorks Simulation; optimization design

2014-03-21;

2014-03-31.

吳應東(1987-), 男, 碩士, 助理工程師, 主要研究方向為機械設計理論及方法.

TJ630; TP391.9

A

1673-1948(2014)04-0249-05