明輪式船舶推進器的蹼板結構優化設計

0 引言

建造實體模型、進行有限元分析的最終目的是為進行優化設計（Optimization），尋求滿足預定目標的最佳設計。

在仿真軟件Pro/E當中這一過程可以依次通過局部靈敏度分析，全局靈敏度分析靈敏度分析（Sensitivity）以及優化設計來實現。

靈敏度分析為優化設計所作的鋪墊工作，簡單說，就是篩選設計參數。這種篩選作用體現在兩個方面：一方面，在眾多設計參數中確定哪些設計參數是重要設計參數，這些重要設計參數將是設計時著重考慮的。如果這些設計參數都用于優化設計，將導致計算量龐大。

另一方面，進一步研究這些重要設計參數，為這些設計參數確定用于優化設計的變化范圍，進行優化設計時，要選定設計參數并給出設計參數的變化范圍，從而在這些設計參數的變化范圍中尋求最佳設計。

所以，靈敏度分析的一般思路為：（1）進行局部靈敏度分析，確定主要參數對模型性能的影響程度。（2）對那些對模型性能影響大的參數，進行全局靈敏度分析[1]。

通過靈敏度分析，可以掌握設計參數對模型性能的影響程度，并確定出對模型性能影響最大的參數。那么如何調整這些參數的數值，使期望的性能達到最佳，這就是優化設計問題了。

優化設計是由用戶指定研究目標，約束條件（包括幾何約束條件和物性約束條件）、設計參數、然后在參數的給定范圍內求解滿足研究目標和約束條件的最佳方案[1]。

1 蹼板組件受力分析

在前期研究中已經對蹼板做了受力分析。其結果是單個蹼板的受力F=570N[2]。由于是焊接件，蹼板采用焊接性能良好的Q215A進行加工。其抗拉強度為σb=335MPa[3]，由于蹼板承受交變載荷，并且是焊接件，工作環境為空氣和水交替，所以選擇安全系數取為5[4]，確定許用應力[σb]=67MPa。

圖1 蹼板簡圖

2 局部靈敏度分析

將受力添加到模型中，并且將材料設定為鋼。在蹼板垂直滑水的瞬間，認為蹼板在支撐架和連桿的共同作用下，是靜止的，設定蹼板的兩側長軸和短軸5個自由度是完全受限制的，只有軸向轉動是自由的。

設計蹼板厚度 δpb＝0.003m； 筋板厚度 δjb＝0.004m； 筋板長度 Lj＝0.165m；長軸大徑為dcz=0.03m；短軸大徑ddz=0.03m；長軸小徑dcx=0.018m；短軸小徑ddx=0.018m；計算得最大應力值σb=60MPa，而許用應力[σb]=67MPa，蹼板簡圖如圖1所示。針對這一零件，通過靈敏度分析和優化設計獲得強度符合要求，重量最輕的尺寸匹配。

在設計過程中，為了實現合理規則、最理想策略、最佳方案的最優系統設計，通常必須經歷修正原有分析模型中參數的反復迭代的重復分析過程。為此，為了縮短設計周期和減少研發費用，首先應進行靈敏度分析[5]。

在做靈敏度分析之前，要在MECHANICA模塊界面下的“分析”－“MECHANICA設計控制”－“Design Params”中設定要分析的參數和各個參數的變化范圍，在后續的靈敏度分析和優化設計時，計算機將會在這些參數和參數的變化范圍內進行靈敏度分析計算和優化設計計算。

在“分析”－“MECHANICA 分析/研究”－“New Design Study”中進行靈敏度分析和優化設計計算的設定。

首先對應力值相對于每個參數變化的敏感程度進行分析，即進行局部靈敏度分析。進行局部靈敏度分析可以對參數進行初等篩選，判斷哪些參數對性能影響較大，從而縮小研究范圍。局部靈敏度分析結果如圖2所示。

圖2 局部靈敏度分析結果

局部靈敏度分析結果表明，蹼板厚度、筋板厚度、筋板長度、長軸小徑和短軸小徑對應力影響較大，而長軸大徑和短軸大徑對應力的影響很小。在后續的全局靈敏度分析中，略去對這兩個參數的考慮，以提高分析效率。

3 全局靈敏度分析

在局部靈敏度分析中已經粗略研究模型和總質量隨參數改變而發生變化的情況，并篩選出了五個參數作進一步研究。針對每個設計參數建立一個全局靈敏度分析任務。

進行全局靈敏度分析，可以確定參數對模型某一性能的整體影響，尤其對于參數在變化過程中可能引起性能發生突變時，就顯得尤為重要了。

通過全局靈敏度分析運算，得出隨個個尺寸在一定范圍內變化時，最大應力值、總質量等的變化趨勢。圖3為等結構尺寸變化時最大應力隨之變化的曲線。分析表明，應力對筋板長度、筋板厚度的全局靈敏度不靈敏。因此確定蹼板厚度、長軸小徑和短軸小徑為優化參數。

圖3 全局靈敏度分析結果

4 優化設計

通過分析，確定蹼板的應力對蹼板厚度、長軸小徑、短軸小徑變化最敏感。如何保證模型的應力值不超過許用應力的前提下，盡可能達到質量輕、體積小、形狀合理，這就是優化設計的研究內容。優化設計是由用戶指定研究目標、約束條件、設計參數，然后在參數的給定范圍內求解出滿足研究目標和約束條件的最佳方案。

優化目標：質量最小；

優化約束：最大應力不超過材料的許用應力67MPa，優化參數：蹼板厚度、長軸小徑、短軸小徑；

設定參數變化范圍：0.001≤δpb≤0.007m；0.016≤dcx≤0.020m；0.016≤ddx≤0.020m，優化界面如圖 16。

經過優化，在取 δpb＝0.00197m、dcz=0.01716m、ddz=0.01841m，其余參數不變的情況下，σ=66.77MPa＜67MPa，能夠滿足應力要求。經過圓整，確定δpb＝0.002m、dcz=0.0172m、ddz=0.0185m。通過上述優化獲得了滿足應力要求且結構合理的蹼板結構尺寸。

5 結論與討論

原始參數中蹼板厚度δpb＝0.003m；長軸大徑為dcz=0.03m；短軸大徑 ddz=0.03m；筋板厚度 δjb＝0.004m；筋板長度 Lj＝0.165m；短軸大徑 ddz=0.03m；長軸小徑dcx=0.018m；短軸小徑ddx=0.018m；計算得最大應力值σb=60MPa。經過對蹼板結構尺寸進行局部靈敏度和全局靈敏度分析，獲得蹼板應力對蹼板厚度δpb、長軸直徑dcz和短軸直徑dd的變化敏感；通過對這三個參數的優化，獲得當取δpb＝0.002m、dcz=0.0172m、ddz=0.0185m，其它尺寸不變時σb=66.77MPa＜67MPa，從而得到優化了的蹼板結構尺寸。

［1］張繼春.Pro/ENGINEER Wildfire 結構分析[M].北京：機械工業出版社,2005：2-3,105-152.

［2］韓青松,尚士友,王志國,殷曉飛.基于Pro/E的9GSCC-1.4型水草收割機明輪裝置的建模與仿真[J].

［3］徐灝.機械設計手冊（第一卷,第三篇）[M].北京：機械工業出版社,2002：232-235,39.

［4］[日]土屋喜一.機械實用手冊[M].北京：科學出版社,2003：49-51.

［5］將先平.汽車主要總成參數關于操縱穩定性的靈敏度分析及優化[M].長春：吉林大學,2005.