基于iSIGHT的魚雷擺盤發(fā)動機活塞多學科設計優(yōu)化

李斌茂, 錢志博, 程洪杰

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基于iSIGHT的魚雷擺盤發(fā)動機活塞多學科設計優(yōu)化

李斌茂, 錢志博, 程洪杰

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

為進一步對魚雷擺盤發(fā)動機活塞進行優(yōu)化設計, 綜合考慮其溫度、結構及強度, 基于多學科可行性法(MDF)建立了擺盤發(fā)動機活塞的多學科設計優(yōu)化(MDO)模型, 并使用UG和ANSYS進行溫度場和強度學科設計與分析。給出了活塞多學科設計優(yōu)化分析仿真流程, 并基于iSIGHT集成UG和ANSYS建立其多學科設計優(yōu)化平臺, 通過二次開發(fā)實現(xiàn)了參數(shù)輸入、輸出、更新及軟件間數(shù)據(jù)交流。經(jīng)優(yōu)化的活塞質(zhì)量較原來降低了21.81%, 最高溫度降低了55℃, 第1環(huán)槽溫度降低了29℃, 最大應力降低了10 MPa。仿真結果表明, 活塞輕量化的MDO可有效處理熱-結構耦合因素, 在降低活塞質(zhì)量的同時改善了溫度及應力特性, 提高了設計優(yōu)化效率。

魚雷擺盤發(fā)動機; 活塞; 多學科優(yōu)化設計; 多學科可行性法; iSIGHT

0 引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)的要求及科學技術的發(fā)展, 使得魚雷熱動力發(fā)動機的設計朝著大功率、高可靠性及輕量化等方向發(fā)展。活塞作為魚雷擺盤發(fā)動機傳動系統(tǒng)的重要組成部分, 其質(zhì)量的好壞直接關系到發(fā)動機的工作性能。活塞處于高溫、高壓且具有一定腐蝕性的工作環(huán)境中, 其設計既要保證具有良好的安全耐久抵抗熱負荷、機械負荷及抗腐蝕性, 又要力求質(zhì)量最輕。活塞的設計優(yōu)化涉及了結構、強度、熱分析、材料等眾多學科, 是一個多學科耦合問題。傳統(tǒng)的串行設計中只是根據(jù)經(jīng)驗公式對強度進行校核, 且在校核過程中并未充分考慮溫度的影響, 僅依靠實踐經(jīng)驗平衡各學科指標的沖突, 未充分考慮學科間的耦合因素, 設計優(yōu)化成效果不是很理想。

多學科設計優(yōu)化[1-3](multidisciplinary design optimization, MDO)是一種方法論, 它基于并行工程理論, 通過充分探索并利用系統(tǒng)中各學科之間相互作用的協(xié)調(diào)機制平衡各學科間的沖突, 利用多學科優(yōu)化方法和優(yōu)化算法來尋求系統(tǒng)最優(yōu)解。該方法不僅能保證各學科相互間設計的一致性, 也保持了各學科設計的自主性, 從而提高設計效率、縮短產(chǎn)品研制周期。MDO已經(jīng)在航空航天汽車等領域得到了越來越多的應用[4-9], 且效果良好。本文應用多學科設計優(yōu)化方法, 并基于iSIGHT集成UG、AYSYS等構建多學科優(yōu)化平臺, 實現(xiàn)對魚雷擺盤發(fā)動機活塞的多學科優(yōu)化計算, 為活塞的多學科設計和優(yōu)化提供技術和理論支撐, 并為發(fā)動機的設計優(yōu)化提供一種新的思路與方法參考。

1 多學科可行性法

多學科可行性(multidisciplinary feasible, MDF)法是單級的多學科解耦策略, 也是一種比較通用的多學科解耦策略, 該方法將整個系統(tǒng)看作一個大系統(tǒng)來處理, 包括一個系統(tǒng)優(yōu)化器和一個多學科分析過程, 將多學科分析系統(tǒng)整合為一個整體, 再對這個大系統(tǒng)進行優(yōu)化。學科層分析與系統(tǒng)層分析一起進行, 即優(yōu)化的設計變量為所有學科設計變量的集合, 優(yōu)化目標為所有學科目標的集合, 在多學科分析過程中, 任意學科將其他學科分析得到的結果作為自身學科的邊界條件, 按順序?qū)γ總€學科進行分析迭代, 直至滿足收斂條件, 得到整個系統(tǒng)的設計優(yōu)化解。該方法不對耦合變量做任何處理, 耦合變量的求解通過優(yōu)化器給定的設計變量采用高斯迭代進行, 同時把學科分析作為等式約束。該方法實質(zhì)上是對優(yōu)化問題的直接求解, 簡單直觀, 且總能得到最優(yōu)解; 但其缺點是每次迭代要從頭遍歷所有的設計變量, 計算規(guī)模大。MDF的實質(zhì)是一種對原問題直接解算的方法, 適用于設計變量、約束、目標計算不復雜的系統(tǒng)。

MDF的數(shù)學模型可描述為

式中: 為學科局部設計變量; 為學科i的學科輸出; 為學科j輸入到學科i的耦合變量; z為全局設計變量。圖1是MDF的典型結構圖。

2 活塞多學科設計優(yōu)化模型

本文對活塞的MDO主要考慮結構、強度及熱分析, 計算時取發(fā)動機工作壓力為30 MPa, 燃氣進口溫度為1520.9 K。

2.1 活塞熱及結構強度分析

活塞的熱分析及強度分析通過UG參數(shù)化建模及ANSYS進行分析計算。活塞的有限元模型中全部采用六面體網(wǎng)格, 如圖2所示。

圖2 活塞有限元模型

圖3 活塞溫度分布

在強度分析中, 邊界條件主要為機械載荷、溫度場約束及位移約束, 其中機械載荷主要是活塞頂所受工質(zhì)燃氣壓力, 活塞火力岸周圍氣體壓力為進氣壓力的0.9倍, 活塞第1環(huán)岸氣體壓力為進氣壓力的0.2倍。計算時考慮了材料性能隨溫度的變化。計算得到結構強度分析如圖4所示, 最大應力約為605MPa, 活塞頂面所受應力并不大, 頂面外側(cè)應力小于其內(nèi)側(cè); 活塞變形呈喇叭口狀, 最大變形量約為0.23 mm, 在徑向方向的最大變形量約為0.1572 mm, 出現(xiàn)在活塞頂邊緣部位, 小于活塞頭部火力岸與汽缸套間的間隙0.275 mm。

圖4 活塞應力、應變分布

2.2 設計變量

活塞結構如圖5所示, 其輕量化主要取決于結構形式和尺寸的合理選擇, 同時需要滿足剛度、強度、導熱性及密封等的要求。

圖5 活塞結構圖

2.3 活塞各學科設計優(yōu)化分析模型

強度優(yōu)化目的是為了降低工作過程中活塞應力, 使其在材料的許用范圍之內(nèi), 約束條件為最大應力不超過活塞的設計要求的許用應力, 最大徑向應變不超過活塞與汽缸套內(nèi)壁間的間隙, 即

結構優(yōu)化目標為活塞總質(zhì)量最小, 并滿足結構上的設計約束要求。結構優(yōu)化問題描述為

2.4 目標函數(shù)

活塞的設計優(yōu)化, 由于涉及強度、熱分析等學科, 可求得各學科的一些主要的特征參數(shù), 如熱分析中可求得最高溫度值及溫度分布等, 強度計算中可求得應力、變形等, 這些參數(shù)是代表各學科要求的重要物理量。而活塞輕量化的目的就是為了降低活塞重量的同時不影響活塞的正常使用。因此, 在對魚雷擺盤發(fā)動機活塞進行多學科設計優(yōu)化的過程中, 將活塞分析過程中得到的應力、應變、溫度等作為約束條件, 以保證活塞的安全工作, 并以活塞的總質(zhì)量作為優(yōu)化目標, 即

3 活塞多學科設計優(yōu)化實現(xiàn)

在各學科分析基礎上, 通過一個MDO框架將各學科集成如圖6所示, 在該集成框架中, 選擇iSIGHT來集成參數(shù)化建模軟件UG與活塞學科分析軟件ANSYS。

3.1 UG和ANSYS的iSIGHT集成

對于iSIGHT集成UG, 首先, 根據(jù)未優(yōu)化前活塞的幾何參數(shù)在UG中建立其參數(shù)化模型(*.prt), 并輸出參數(shù)文件(*.exp); 其次, 通過C++編譯得到用于活塞UG模型自動更新程序及自動實現(xiàn)UG輸出中間格式文件(*.x_t或*.igs)的程序, 并建立批處理文件*.bat用于執(zhí)行這2個程序; 再次, 將上述幾個文件存放于同一文件夾中, 在iSIGHT中, 通過過程集成界面使用Simcode的輸入、執(zhí)行及輸出設置, 分別將活塞UG模型的參數(shù)文件、更新程序及*.x_t文件加載, 從而完成iSIGHT對UG軟件的集成, 實現(xiàn)利用UG自動進行活塞的參數(shù)化建模及模型更新。

圖6 活塞MDO集成框架

對于iSIGHT集成ANSYS, 首先, 通過APDL二次開發(fā)得到活塞的ANSYS相關分析的程序文件(*.lgw), 并在ANSYS 中通過“switch output file to”生成含有優(yōu)化計算所需的變量(如溫度、應力、應變、質(zhì)量等)的輸出文件*.txt; 其次, 創(chuàng)建一個批處理文件*.bat, 文件內(nèi)容為“%ANSYS120_DIR%inintelansys120.exe”-b -p ANSYS -i *.lgw -o *.txt”, 及“del *. txt”, 其中“del *. txt”是為了刪除循環(huán)迭代中越來越大的中間結果文件; 然后, 將*.lgw文件、*.txt文件和*.bat至于同一路徑下, 在iSIGHT的Simcode組件中, 對輸入(*.lgw)、輸出(*.txt)和執(zhí)行文件(*.bat)進行解析, 將ANSYS集成到iSIGHT中。

3.2 多學科設計優(yōu)化實現(xiàn)

采用iSIGHT作為活塞MDO集成框架環(huán)境, 基于前述的理論、分析及方法, 得到活塞多學科設計優(yōu)化的流程如圖7所示, 在該流程中, 當前后2次計算出的活塞溫度、應力、應變及重量的變化都足夠小, 則停止迭代。相應的多學科設計優(yōu)化集成框架如圖8所示。該框架以活塞幾何拓撲尺寸為設計變量, 通過iSIGHT集成UG和ANSYS, 實現(xiàn)活塞多學科設計優(yōu)化的自動進行。

4 活塞多學科設計優(yōu)化結果及分析

采用iSIGHT提供的序列二次規(guī)劃法NLPQL作為數(shù)值優(yōu)化算法, 啟動集成設計優(yōu)化平臺, 通過多次迭代計算得到收斂的運行結果如表1所示。

圖7 活塞MDF設計優(yōu)化流程

表1 運行結果

圖8 活塞MDO集成平臺

從優(yōu)化結果可以看出, 優(yōu)化后活塞最大應力約為594.7519 MPa, 降低了約10 MPa; 活塞最高溫度約為828.949℃, 降低了約55℃; 活塞第1環(huán)槽平均溫度約為236℃, 降低了約29℃, 且低于潤滑油的結膠溫度; 最大徑向變形為0.1302 mm, 減少了0.027 mm; 活塞重量為0.4326 kg, 降低了21.81%。基于MDO的活塞輕量化在降低活塞重量的同時, 也使活塞所受應力、徑向型變量及溫度有所下降, 達到了優(yōu)化的目的。

5 結束語

將MDO方法引入發(fā)動機活塞設計中, 綜合考慮結構、熱分析、強度因素建立活塞MDO模型, 基于iSIGHT集成UG、ANSYS等軟件, 構建了活塞多學科優(yōu)化平臺。通過優(yōu)化計算, 活塞重量下降了約21.81%, 活塞體最高溫度下降約6.23%, 活塞頭部第1環(huán)槽平均溫度降低了10.98%, 活塞最大應力下降了約1.66%, 活塞徑向最大變形減少17.18%; 在活塞輕量化的同時, 改善了活塞的溫度分布及熱應力特性, 實現(xiàn)了優(yōu)化的目的。優(yōu)化計算穩(wěn)定性、效率及可靠性高。本文既是MDO應用的拓展, 也為魚雷發(fā)動機的設計提供了一種新的設計思路和方法。

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(責任編輯: 陳 曦)

Multidisciplinary Design Optimization for Wobbleplate Engine Piston of Torpedo Based on iSIGHT

LI Bin-maoQIAN Zhi-boCHENG Hong-jie

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

To solve the multidisciplinary design optimization(MDO) problem for wobbleplate engine piston mechanism of a torpedo, a MDO model is built based on multidisciplinary feasible(MDF) method with comprehensive consideration of structure, temperature, and intensity of the piston. A temperature field model and a stress model of the piston are built by UG and ANSYS, and multidisciplinary optimization analysis and design are conducted by means of numerical analysis and calculation. MDO platform and simulation process are constructed by integrating iSIGHT with UG and ANSYS. Through secondary development of the software, the parameters import, export, and automatic update, as well as the data exchange among different software, are realized on the MDO platform. The MDO results illustrate that the weight of the piston is reduced by 21.81%, the peak temperature and the temperature of the first ring groove decrease by 55℃ and 29℃, respectively, and the maximum stress decreases by 10 MPa. Simulation results show that the MDO method can improve the characteristics of temperature and thermal stress of the piston, and can deal with the coupling of heat and structure effectively, and can promote MDO efficiency.

wobbleplate engine of torpedo; piston; multidisciplinary design optimization; multidisciplinary feasible method; iSIGHT

2014-04-24;

2014-05-16.

李斌茂(1979-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為水下武器系統(tǒng)設計、武器系統(tǒng)綜合設計理論與方法等.

TJ630.32;TP206.3

A

1673-1948(2014)04-0282-06