【案例分析】基于HyperWorks的艙門機構(gòu)多體動力學分析和優(yōu)化

在前處理模塊HyperMesh建立機構(gòu)多體動力學剛?cè)狁詈夏Ｐ捅容^簡單,只需在Analaysis頁面Bodies面板下將剛性體改為柔性體(由PRBODY改為PFBODY),并設置模態(tài)即可。如圖15所示。

圖15 剛性體改為柔性體

4 多體動力學模型對標

選擇試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比,調(diào)整模型參數(shù)(如摩擦力)使仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相符。對于艙門機構(gòu)一般選擇內(nèi)外手柄開關(guān)力作為調(diào)整驗證模型的標準。圖16是調(diào)整后的某型機登機門多體動力學模型內(nèi)外手柄開關(guān)最大力矩仿真結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)的對比。

圖16登機門多體動力學模型內(nèi)外手柄開關(guān)最大力矩仿真結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)的對比由上圖可以看出,4中力矩值與試驗數(shù)據(jù)基本相似,除外手柄關(guān)閉力矩值誤差為18%外,其余誤差均保證在10%之內(nèi)。

圖16 實際試驗數(shù)據(jù)的對比

5 優(yōu)化設計

獲得合理的仿真模型后,可測試初始設計方案是否達到設計要求,對于沒有滿足設計要求的機構(gòu)進行優(yōu)化。機構(gòu)優(yōu)化分為零件優(yōu)化和系統(tǒng)優(yōu)化,零件優(yōu)化運用OptiStruct求解,系統(tǒng)優(yōu)化運用MotionSolve和Hypstudy聯(lián)合求解。

5.1 運用MotionSolve和Hypstudy聯(lián)合求解機構(gòu)系統(tǒng)級優(yōu)化

運用MotionSolve和HyperStudy聯(lián)合求解系統(tǒng)級響應優(yōu)化,是通過構(gòu)建自適應面來尋求最優(yōu)值,基于響應面的優(yōu)化不能處理包含大規(guī)模設計變量的優(yōu)化問題。但可以支持柔性體和剛性體的形狀變化,并保證形狀變化不會破壞系統(tǒng)原始的運動副約束關(guān)系。因此可以將機構(gòu)中的交點坐標定義設計變量,提取系統(tǒng)中構(gòu)件的位移、速度、加速度和運動副約束力的極值作為響應,并定義成為目標和約束函數(shù)進行優(yōu)化。

工作原理是在HyperStudy導向式架構(gòu)第一階段Study setup(定義模型)中加入MotionView中的多體動力學模型,并從模型中選取機構(gòu)交點坐標為自變量,借用MotionSolve求解,提取初始結(jié)果創(chuàng)建響應完成模型定義。然后按照HyperStudy導向式架構(gòu)建立近似模型(Approximation)和優(yōu)化分析(Optimization)必要時進行隨機性研究(Stochastic)。圖17是某型機側(cè)開門的鎖定機構(gòu),通過改變直角拉桿的上下交點位置,希望降低直角拉桿上應力水平,同時保證導引鎖旋轉(zhuǎn)角度不變。

圖17 側(cè)開門的鎖定機構(gòu)

優(yōu)化結(jié)束后在后處理模塊/Hypergraph中查看目標和約束以及電機輸出轉(zhuǎn)矩優(yōu)化前后的對比情況如圖18、圖19和圖20所示。

圖18 目標函數(shù)優(yōu)化前后對比

圖19 約束函數(shù)優(yōu)化前后對比

圖20 電機輸出轉(zhuǎn)矩優(yōu)化前后對比

上述結(jié)果表明:直角拉桿受力的最大值從4129.3N降到2697.6N,大幅降低了直角拉桿的受力。優(yōu)化前后交點的變化不會影響導引鎖的工作要求,而且電機動力輸出轉(zhuǎn)矩大幅下降。優(yōu)化在滿足約束條件的情況下,達到了優(yōu)化目標要求,提高了機構(gòu)系統(tǒng)的性能。

5.2 運用OptiStruc機構(gòu)零件優(yōu)化

機構(gòu)零件優(yōu)化應用等效靜態(tài)載荷技術(shù),當結(jié)構(gòu)承受動態(tài)載荷時,在某一時刻結(jié)構(gòu)都發(fā)生變形從而形成一個位移場,如果一個靜態(tài)載荷能夠產(chǎn)生相同的位移場,則稱該靜態(tài)載荷為這一動態(tài)載荷在某一時刻的等效靜態(tài)載荷。在OptiStruc中,將整個運動歷程時域[0,T]離散成q個時間點,由此獲得的等效靜態(tài)載荷數(shù)量也為q,進行等效靜態(tài)響應分析的工況也是q,轉(zhuǎn)變成OptiStruc中的q個靜態(tài)工況下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題?？梢詫崿F(xiàn)多體系統(tǒng)中柔性體的拓撲優(yōu)化,尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化等。多體優(yōu)化模型的定義與傳統(tǒng)靜力優(yōu)化模型的定義類似。

在HyperMesh建立機構(gòu)多體動力學剛?cè)狁詈夏Ｐ秃?遞交Radioss求解,當模型中運動副、襯套和驅(qū)動等多體動力學元素被掃描出時,自動轉(zhuǎn)為MotionSolve求解。多體動力學結(jié)果分析正確后,返回HyperMesh中在Optimization面板下選擇優(yōu)化種類,定義設計變量、響應、目標、約束。最后遞交OptiStruct求解,完成優(yōu)化。

圖20和圖21表示了運用OptiStruc機構(gòu)優(yōu)化,拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化的結(jié)果。

圖21 OptiStruc機構(gòu)拓撲優(yōu)化結(jié)果

圖22 OptiStruc機構(gòu)形狀優(yōu)化結(jié)果

6 總結(jié)

綜上所述,應用HyperWorks軟件進行艙門機構(gòu)優(yōu)化設計的流程見圖22。通過對機構(gòu)剛?cè)狁詈隙囿w動力學分析,可以確定初始設計方案是否達到設計要求,如機構(gòu)運動軌跡是否合理,運動構(gòu)件是否產(chǎn)生干涉、速度和加速度性能是否滿足設計要求等。在此基礎上對艙門機構(gòu)進行系統(tǒng)級和零件級優(yōu)化改進設計以實現(xiàn)最優(yōu)性能,如動力輸入最小,系統(tǒng)重量最輕,系統(tǒng)所占空間最小等。通過仿真驅(qū)動設計理念,不但為產(chǎn)品設計提供指導,還可以激發(fā)靈感,實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。

圖23 艙門機構(gòu)優(yōu)化流程

來源:互聯(lián)網(wǎng),作者:紀三紅 朱巖