許 兵

在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，一般要經(jīng)過設(shè)計—試制—改進等多次的循環(huán)，許多零件均為經(jīng)驗設(shè)計，其過程就是人工試湊與定性比較的過程。這種過程時間長、費用高。針對這一問題，不少學者提出了多種優(yōu)化設(shè)計方法，但這些方法普遍存在著求解復雜、實現(xiàn)困難等缺陷。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于有限元分析的優(yōu)化軟件為設(shè)計人員提供了良好的優(yōu)化設(shè)計方法和工具。利用UG NX7.0中的有限元分析模塊及優(yōu)化設(shè)計模塊對某型雷達的方位殼體進行了優(yōu)化設(shè)計，大大縮短了設(shè)計時間，提高了設(shè)計成功率。

1 原設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

方位殼體是一個整體鑄造零件，使用的材料為ZL101A。殼體上方安裝方位軸承后與俯仰傳動機構(gòu)相連。下部中心位置安裝匯流環(huán)，旁邊安裝驅(qū)動電機。法蘭面為安裝面，承受整個天線座的質(zhì)量。在整機顛震試驗中，天線座所要承受的沖擊加速度為7g，所以在后面的靜態(tài)分析中都按照這一條件進行。

在UG中建立三維模型后進行靜態(tài)有限元分析，在法蘭安裝面上施加固定約束，在軸承、驅(qū)動電機以及匯流環(huán)安裝面上，按7g的加速度條件施加相應(yīng)的載荷。靜態(tài)分析結(jié)果如圖1所示。從應(yīng)力云圖中可以看到，最大應(yīng)力為11MPa，出現(xiàn)在內(nèi)部靠近電機安裝位置的加強筋的內(nèi)側(cè)端點，其余位置平均應(yīng)力不超過6MPa，最大位移為0.13mm。ZL101A的最大許用應(yīng)力σb=235MPa。由此可見，該殼體安全余量很大，有較大的改進余地。

圖1 改進前方位殼體應(yīng)力云圖和位移云圖

2 優(yōu)化改進

優(yōu)化方案包括兩個方面:(1)若構(gòu)件本身的形狀允許改變，可以選擇構(gòu)件的最佳形狀;(2)若幾何形狀確定，可通過最優(yōu)化尋找合適的結(jié)構(gòu)尺寸［1］。本次優(yōu)化改進的目的是減輕該零件的質(zhì)量，使其強度、剛度以及質(zhì)量達到最優(yōu)的狀態(tài)。本次優(yōu)化設(shè)計過程分為2部分:結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化。

2.1 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化

結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化是通過改變零件的外形特征和尺寸以達到減輕質(zhì)量的目的。對于該零件，在結(jié)構(gòu)形狀上有一定的限制:一是最大外徑及安裝孔位已確定;二是內(nèi)部安裝的主要零部件，如方位軸承、傳動齒輪以及驅(qū)動電機的尺寸也已經(jīng)確定。因此在結(jié)構(gòu)形狀上只能進行局部調(diào)整。

結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化主要是對法蘭端面以下的圓柱面進行。其方法是將原來的圓形截面外形向內(nèi)收縮，變成兩個圓相交后的形狀，其中小圓直徑滿足驅(qū)動電機的安裝要求，大圓直徑滿足主傳動齒輪回轉(zhuǎn)空間的要求。為使鑄件結(jié)構(gòu)保證一定的對稱性，在安裝電機部分的對面也設(shè)置相同的圓弧。優(yōu)化示意圖如圖2所示 。經(jīng)過優(yōu)化，在壁厚相同的情況下，這部分的質(zhì)量可以減少15%。

2.2 尺寸優(yōu)化

在確定結(jié)構(gòu)外形后，就可以進行尺寸優(yōu)化。對于尺寸優(yōu)化，可歸納為在滿足一定約束條件下，選取設(shè)計變量，使目標函數(shù)達到最大(或最小)。在本設(shè)計中主要是鑄件壁厚的尺寸優(yōu)化。

圖2 結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化示意圖

根據(jù)外形優(yōu)化的結(jié)果重新修改零件模型。重新劃分網(wǎng)格后進行優(yōu)化設(shè)計，其參數(shù)設(shè)置如下。

材料屬性:彈性模量E=700GPa，泊松比μ=0.3;密度 ρ=2.8 ×103kg/m3。

設(shè)計變量:選擇法蘭端面上部圓錐臺體部分的壁厚和下部三圓相交形狀部分的壁厚作為設(shè)計變量。

約束條件:由原設(shè)計靜態(tài)分析結(jié)果，選取位移最大的點的位移量作為約束，以其位移變形最大值為上限作為方案的約束條件。其位置在驅(qū)動電機的安裝面與中心匯流環(huán)安裝面的交匯點，最大位移值限定為0.2mm。

目標函數(shù):由于優(yōu)化的目的是在保證一定的剛度和強度的情況下進行減重，因此將質(zhì)量最小定為目標函數(shù)。

根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果，圓錐臺體部分的壁厚為9.4mm，圓整為10mm。下部三圓相交形狀部分壁厚為7.6mm，圓整為8mm。優(yōu)化前后該零件外形如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后外形對比

3 優(yōu)化后靜態(tài)分析

按照改進前的載荷條件進行計算，從應(yīng)力云圖中可以看到，改進后最大應(yīng)力為29.1MPa，出現(xiàn)在外側(cè)加強筋的根部，最大位移為0.2mm。計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 改進后方位殼體應(yīng)力云圖和位移云圖

4 優(yōu)化后的模態(tài)分析

在靜態(tài)分析結(jié)果滿足使用條件后，對該殼體進行了模態(tài)分析，看方位殼體的固有頻率是否會與輸入頻率或外界強迫作用的頻率一致。表1列出了方位殼體前5階的固有頻率。

表1 模態(tài)數(shù)與固有頻率

由模態(tài)分析結(jié)果可知，該零件最低階諧振頻率為302.6Hz，遠高于生產(chǎn)調(diào)試及正常工作中天線座自身產(chǎn)生的頻率以及外界輸入振動頻率，其固有頻率不會對天線座的正常工作造成影響。

5 結(jié)束語

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，方位殼體的質(zhì)量從113kg減少到62kg。經(jīng)過幾個批次的生產(chǎn)，證明該零件設(shè)計合理、精度可控。天線座完成調(diào)試后，順利完成環(huán)境試驗中的振動與顛震試驗，驗證了靜力分析與動力分析的正確性。

［1］ 曾志華，虞偉建.ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代設(shè)計與先進制造技術(shù)，2009(7):33－37.