Pro/MECHANICA環(huán)境下的管道支架優(yōu)化設(shè)計(jì)－

sunshine1026

一,、Pro/MECHANICA環(huán)境下的優(yōu)化設(shè)計(jì)
% N; S: M! X& f& [! c  v. n0 G1 y    1.Pro/MECHANICA Structure模塊簡介
1 a4 L* V- u! A3 q9 V    與其他專業(yè)的有限元分析軟件一樣,，Pro/MECHANICA Structure模塊可以完成有限元分析和模型的優(yōu)化設(shè)計(jì),，它的設(shè)計(jì)研究種類主要有三種：標(biāo)準(zhǔn)分析（Standard）,、靈敏度分析（Sensitivity）和優(yōu)化設(shè)計(jì)分析（Optimization）,。圖1為Pro/MECHANICA Structure模塊的主菜單。概括的說,，Pro/MECHANICA Structure模塊的分析任務(wù)為兩類,，第一類為設(shè)計(jì)驗(yàn)證或設(shè)計(jì)校核，例如進(jìn)行設(shè)計(jì)模型的應(yīng)力應(yīng)變檢驗(yàn),，和其他有限元分析軟件一樣,，須通過創(chuàng)建幾何模型、簡化模型,、設(shè)定單位和材料屬性,、定義約束、定義載荷,、定義分析任務(wù),、運(yùn)行分析、顯示評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果這樣的工作流程,；第二類為模型的設(shè)計(jì)優(yōu)化,，這是Pro/MECHANICA區(qū)別其他有限元軟件最顯著的特征。它的工作流程如圖2所示�,，F(xiàn)以管道支架為例簡述Pro/MECHANICA獨(dú)特的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能,。

  M9 z/ A6 g# u圖1 Pro/MECHANICAStructure模塊主菜單

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圖2 Pro/MECHANICA優(yōu)化設(shè)計(jì)工作流程圖

    2.管道支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2 J+ p3 ^& K1 ?$ b0 C    管道支架是一種廣泛應(yīng)用于建筑、電力等行業(yè)的支撐類零件,，對(duì)其進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義,。
, P( B; {  p* d. m2 P1 O    （1）幾何模型的建立
5 o( K$ C3 x# m4 h; Z3 x    圖3為某管道支架在Pro/E下的三維造型圖，主要由中間板,、邊緣板,、中間切槽,、左端固定板組成，其左端面固定,。由材料力學(xué)可知,，該支架左端固定板與中間板、邊緣板連接面為危險(xiǎn)截面,，截面上下位置處的點(diǎn)所受應(yīng)力最大,，為危險(xiǎn)點(diǎn)。因此分別建立測(cè)量點(diǎn)PNT0,、PNT1以監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力值,。        
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圖3 管道支架三維效果圖

    （2）設(shè)置模型材料屬性
- S+ A7 v$ J- B1 v) t    該模型所選材料為45鋼，其密度為,，彈性模量E=200GPa,，泊松比。根據(jù)材料屬性,，我們選擇Pro/MECHANICA Structure模塊中材料庫中的材料模型steel,，然后整理編輯，圖4為定義的材料屬性表,。
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5 {: ^. Y, I. ^9 t: P) i圖4 管道支架材料屬性定義框

    （3）約束及載荷的定義
    由于管道支架的左端面固定,，因此定義約束時(shí)將該端面6個(gè)自由度完全固定；支架上端面承受管道重量1000N,，因此選擇載荷分布形式為均布（Uniform）的總載荷（Total Load）,，Y軸的分量-1000N，施加在50×100的面域上,，如圖5所示,。
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+ E4 m" s$ X/ C6 S) t, S6 g圖5 管道支架的約束與載荷

（4）靈敏度分析                                                              

    在建造模型過程中，設(shè)計(jì)人員定義了很多設(shè)計(jì)參數(shù),，如目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù),、物性參數(shù)等，當(dāng)這些設(shè)計(jì)參數(shù)變化時(shí),，必然會(huì)對(duì)模型性能產(chǎn)生影響,，如果這些設(shè)計(jì)參數(shù)都用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，必然加大計(jì)算量,�,？紤]到不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)模型性能影響的程度不一樣，如果能定量地表示這種影響程度,，就能確定哪些是重要設(shè)計(jì)參數(shù),，并排除那些影響程度很小的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，這是優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮的,。而Pro/M的靈敏度分析恰恰提供了這樣的定量分析功能,，為優(yōu)化設(shè)計(jì)高效率提供了保證。
    1）局部靈敏度分析
    局部靈敏度分析就是定量分析每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)模型性能影響的程度,，從而可以確定哪些參數(shù)對(duì)模型性能影響最大,，即重要設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)作重點(diǎn)考慮,。
( k' K! f2 z$ d( U! O    在上述的管道支架中,，設(shè)計(jì)參數(shù)主要有中間板的長度(Mid_Length)、寬度(Mid_Width),、板厚(Mid_Thickness),、邊緣板的寬度(Edge_Width)、厚度(Edge_Thickness),、中間切槽的長度(Cut_ Length)和寬度(Cut_ Width)等,。因此分別對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行局部靈敏度分析，最后確定對(duì)模型最大應(yīng)力影響最深的重要參數(shù),，運(yùn)行局部靈敏度分析后,，圖6～12分別為中間板的長度、寬度,、厚度,、邊緣板的寬度,、厚度,、中間切槽的長度和寬度等7個(gè)參數(shù)對(duì)模型應(yīng)力影響程度的曲線。從曲線圖可以得知,，管道支架模型應(yīng)力對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)中間板寬度(Mid_Width)和板厚(Mid_Thickness)的變化最敏感,，即中間板寬度和厚度的變化對(duì)模型應(yīng)力影響最大，因此這是優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的參數(shù),；其他設(shè)計(jì)參數(shù)尺寸的變化對(duì)模型最大應(yīng)力影響不大,。
    2）全局靈敏度分析
    全局靈敏度分析就是在局部靈敏度分析出對(duì)模型性能影響較大的參數(shù)的基礎(chǔ)上，為這些重要設(shè)計(jì)參數(shù)確定用于優(yōu)化設(shè)計(jì)的變化范圍,，也就是說全局靈敏度分析能準(zhǔn)確地描述模型性能對(duì)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度,，確定其合理的參數(shù)變化范圍，從而在這些參數(shù)的變化范圍中尋求最佳設(shè)計(jì),。
    由于在管道支架的局部靈敏度分析中的得出了中間板寬度和厚度對(duì)模型應(yīng)力影響最大的結(jié)果,，因此分別建立全局靈敏度分析任務(wù)(定義參數(shù)Mid_Width、Mid_Thickness的變化范圍分別為160～240mm和15～25mm),，分析運(yùn)算后準(zhǔn)確確定了管道支架模型應(yīng)力對(duì)中間板寬度和厚度尺寸變化的靈敏度如圖13,、14所示。
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圖6 中間板長度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

; d& F6 l4 K* a' d* e" M8 w圖7中間板寬度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

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圖8 中間板厚度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

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! ~$ {9 D, ^/ X8 _6 E  d圖9邊緣板寬度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

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圖10 邊緣板厚度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

圖11 中間切槽長度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

圖12 中間切槽寬度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

# m7 N! \- X2 N, N) _圖13中間板寬度全局靈敏度分析曲線

圖14 中間板厚參數(shù)全局靈敏度分析曲線

    （5）優(yōu)化設(shè)計(jì)
    優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容主要就是保證模型的約束條件前提下，盡可能達(dá)到質(zhì)量輕,、體積小,、形狀合理、成本最低以及力學(xué)方面最大限度地減緩過渡區(qū)應(yīng)力集中等目標(biāo)條件,。其數(shù)學(xué)模型一般可統(tǒng)一寫成如下格式：

    式中D為設(shè)計(jì)變量X在歐式空間Rn的取值范圍,，稱為可行域；“s.t.”為約束條件,。即優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型包括三因素：設(shè)計(jì)變量X,、目標(biāo)函數(shù)f(X)和約束條件。
    在本文的管道支架實(shí)例中,，分別確定三要素如下：
8 S3 T) f0 o+ U& }1 Z1 Y    目標(biāo)函數(shù)：使支架質(zhì)量最�,。�
7 X6 V5 v$ j- c) h. Z" F4 w    設(shè)計(jì)參數(shù)：中間板寬度(Mid_Width),、厚度(Mid_Thickness),。由靈敏度分析可知管道支架模型的最大應(yīng)力對(duì)中間板的寬度和厚度變化最敏感，對(duì)其他參數(shù)的變化不敏感,，因此中間板的寬度和厚度尺寸是著重研究的參數(shù),。原始尺寸Mid_Width=200mm，Mid_Thickness=20mm,。
* d' @. S) T5 z. H5 b' o1 w    約束條件：強(qiáng)度條件=40MPa,，前面建立的測(cè)量點(diǎn)PNT0、PNT1可反應(yīng)危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力情況,，在滿足材料強(qiáng)度的前提下,，必須控制危險(xiǎn)截面處的最大應(yīng)力值，減緩應(yīng)力現(xiàn)象,，即,，。
根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型建立優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)并運(yùn)行得到了一組使管道支架重量最輕的優(yōu)化結(jié)果�,，F(xiàn)將原始值與最優(yōu)值作一個(gè)比較,，如表1所示。

表1 最優(yōu)值與原始值的比較

/ t  l0 A' p4 o    從上表中可以看出：經(jīng)優(yōu)化之后,；支架的重量減少了0.00526(Tonne),，減重率達(dá)12.6%；最大應(yīng)力和位移比原始
    值略有增大,，但前提是滿足所有的約束條件,，對(duì)模型影響不大，圖15為優(yōu)化過程的歷史結(jié)果曲線,，圖16為最后確定的優(yōu)化管道支架模型,。

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圖15 優(yōu)化歷史結(jié)果曲線

圖16 優(yōu)化后的管道支架幾何模型幾尺寸

fan782830040

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