曲明 閆永昌 張國友 董國慶 高靜 李盛文

摘要：本文論述了HyperWorks的RADIOSS解算器和OptiStruct優(yōu)化模塊在風洞架車的回轉(zhuǎn)臺承載框架結構分析與優(yōu)化中的應用，使用RADIOSS對初始設計方案進行分析，將計算得到的性能參數(shù)與實驗要求進行比較，進而采用OptiStruct尋找到載荷傳遞路徑，對結構進行優(yōu)化，在同時滿足多工況使用需求下，實現(xiàn)了輕量化設計。

關鍵詞：承載框架;OptiStruct;拓撲優(yōu)化;尺寸優(yōu)化

引言

FL-9風洞是一座高性能的高雷諾數(shù)的低速風洞，為滿足在FL-9風洞進行滑流試驗所需的大載荷要求，需要配備一臺新的架車，回轉(zhuǎn)臺承載框架作為該架車的重要組成部分。由于載荷情況復雜，采用理論計算找到最佳設計方案的方法均不適合，因此有必要采用優(yōu)化設計的方法尋找結構的載荷傳遞路徑以達到材料的高效利用。本文以回轉(zhuǎn)臺承載框架為研究對象，采用OptiStruct優(yōu)化模塊對結構進行了優(yōu)化設計，使得結構在滿足多工況使用需求情況下，實現(xiàn)了輕量化設計。

1.初始設計方案分析

回轉(zhuǎn)臺承載框架位于架車轉(zhuǎn)盤的底部，是模型及支撐機構等的承載部件，同時受到氣動載荷的作用，上法蘭面與車體固定連接，采用HyperWorks的RADIOSS解算器進行線性靜力分析計算，可知承載框架的各組成部分在設計載荷作用下的最大位移為0.07mm，單元最大應力為21.83MPa，質(zhì)量14.6噸，由此可見具有較大的優(yōu)化空間。

1.1?有限元模型

為進一步進行分析優(yōu)化，將結構簡化為殼單元建立有限元模型，有限元模型如圖2所示，模型共計15978個節(jié)點，15734個四邊形單元，均采用四邊形殼體單元，材料采用Q235。

圖2?回轉(zhuǎn)臺承載框架有限元模型

1.2?載荷工況及邊界條件

1.2.1?載荷工況

氣動載荷等效作用于天平校心，載重約為7噸，載荷的施加通過多點約束實現(xiàn)，因為還要考慮到振動特性，所以除了靜力分析工況外，還需要進行模態(tài)分析。

1.2.2?邊界條件

由于上法蘭面固定連接，所以約束該法蘭面所有節(jié)點的x，y，z平移及轉(zhuǎn)動自由度。

2.拓撲優(yōu)化設計

2.1?優(yōu)化要素

2.1.1優(yōu)化設計變量

將外形一致的法蘭作為非設計變量，其余組成部分均設置為設計變量。

2.1.2優(yōu)化約束

應力約束：小于120MPa;

固有頻率約束：第7階固有頻率小于496Hz;

體積分數(shù)約束：體積分數(shù)小于0.3;

對稱約束：考慮到工藝性，采用對稱約束來強制優(yōu)化結果對稱;

2.1.3優(yōu)化目標：在滿足靜力工況和模態(tài)工況條件下，靜態(tài)柔度最小。

風洞在70m/s風速下的激振頻率為709.28?Hz，所以激振頻率高低范圍按照0.7倍及1.4倍計算，應為496?Hz～993?Hz，由于設備固有頻率較低，且由于模態(tài)主要由前幾階模態(tài)組成，因此固有頻率優(yōu)化約束設置為第7階固有頻率小于496?Hz。

2.2?優(yōu)化結果

拓撲優(yōu)化結果如圖3所示，從圖中可觀察最佳材料分布及載荷傳遞路徑，單元密度為1的區(qū)域即紅色區(qū)域材料很重要，需要保留，單元密度為0的區(qū)域即藍色區(qū)域材料不重要，可以去除，從而達到材料的高效利用。

圖3?拓撲優(yōu)化結果

3.尺寸優(yōu)化設計

經(jīng)過拓撲優(yōu)化后，承載框架的最佳結構形式已經(jīng)確定，按照載荷傳遞路徑進行針對性加強后依然重達11.434噸，因此在拓撲優(yōu)化基礎上需要采用尺寸優(yōu)化設計方法對于殼體厚度進行優(yōu)化以實現(xiàn)進一步減重目的。

3.1?優(yōu)化要素

3.1.1優(yōu)化設計變量

除與供氣系統(tǒng)的設備接口尺寸保持不變外，其余22組殼體厚度均設置為設計變量。

3.1.2優(yōu)化約束

考慮靜力及模態(tài)兩個載荷工況，由于尺寸優(yōu)化無法將應變能作為優(yōu)化目標，所以施加如下約束：

應力約束：小于120MPa;

位移約束：所有節(jié)點位移小于0.5mm;

固有頻率約束：第7階固有頻率小于496Hz;

對稱約束：考慮到工藝性，采用對稱約束來強制優(yōu)化結果對稱;

3.1.3優(yōu)化目標：在滿足靜力工況和模態(tài)工況情況下，體積最小。

3.2?優(yōu)化結果

計算可知最大位移為0.488mm，最大應力為61.09?MPa，第7階固有頻率約為157Hz，由此也證明了分析的準確性。

4.結論

采用RADIOSS解算器對回轉(zhuǎn)臺承載框架初始設計方案進行計算，經(jīng)過分析知該結構具有較大優(yōu)化空間，首先在概念設計階段采用OptiStruct進行拓撲優(yōu)化，找到載荷傳遞路徑，將薄弱部分進行加強，在結構形式確定后的詳細設計階段，進一步采用OptiStruct進行尺寸優(yōu)化，最終采用RADIOSS解算器對改進結構進行了分析驗證，結構的最終優(yōu)化重量為7.552噸，減重約48%，由此可見減重效果明顯，實現(xiàn)了結構的輕量化設計。

參考文獻：

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