基于iSIGHT的鱼雷摆盘发动机活塞多学科设计优化

李斌茂, 钱志博, 程洪杰



基于iSIGHT的鱼雷摆盘发动机活塞多学科设计优化

李斌茂, 钱志博, 程洪杰

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

为进一步对鱼雷摆盘发动机活塞进行优化设计, 综合考虑其温度、结构及强度, 基于多学科可行性法(MDF)建立了摆盘发动机活塞的多学科设计优化(MDO)模型, 并使用UG和ANSYS进行温度场和强度学科设计与分析。给出了活塞多学科设计优化分析仿真流程, 并基于iSIGHT集成UG和ANSYS建立其多学科设计优化平台, 通过二次开发实现了参数输入、输出、更新及软件间数据交流。经优化的活塞质量较原来降低了21.81%, 最高温度降低了55℃, 第1环槽温度降低了29℃, 最大应力降低了10 MPa。仿真结果表明, 活塞轻量化的MDO可有效处理热-结构耦合因素, 在降低活塞质量的同时改善了温度及应力特性, 提高了设计优化效率。

鱼雷摆盘发动机; 活塞; 多学科优化设计; 多学科可行性法; iSIGHT

0 引言

现代海战的要求及科学技术的发展, 使得鱼雷热动力发动机的设计朝着大功率、高可靠性及轻量化等方向发展。活塞作为鱼雷摆盘发动机传动系统的重要组成部分, 其质量的好坏直接关系到发动机的工作性能。活塞处于高温、高压且具有一定腐蚀性的工作环境中, 其设计既要保证具有良好的安全耐久抵抗热负荷、机械负荷及抗腐蚀性, 又要力求质量最轻。活塞的设计优化涉及了结构、强度、热分析、材料等众多学科, 是一个多学科耦合问题。传统的串行设计中只是根据经验公式对强度进行校核, 且在校核过程中并未充分考虑温度的影响, 仅依靠实践经验平衡各学科指标的冲突, 未充分考虑学科间的耦合因素, 设计优化成效果不是很理想。

多学科设计优化[1-3](multidisciplinary design optimization, MDO)是一种方法论, 它基于并行工程理论, 通过充分探索并利用系统中各学科之间相互作用的协调机制平衡各学科间的冲突, 利用多学科优化方法和优化算法来寻求系统最优解。该方法不仅能保证各学科相互间设计的一致性, 也保持了各学科设计的自主性, 从而提高设计效率、缩短产品研制周期。MDO已经在航空航天汽车等领域得到了越来越多的应用[4-9], 且效果良好。本文应用多学科设计优化方法, 并基于iSIGHT集成UG、AYSYS等构建多学科优化平台, 实现对鱼雷摆盘发动机活塞的多学科优化计算, 为活塞的多学科设计和优化提供技术和理论支撑, 并为发动机的设计优化提供一种新的思路与方法参考。

1 多学科可行性法

多学科可行性(multidisciplinary feasible, MDF)法是单级的多学科解耦策略, 也是一种比较通用的多学科解耦策略, 该方法将整个系统看作一个大系统来处理, 包括一个系统优化器和一个多学科分析过程, 将多学科分析系统整合为一个整体, 再对这个大系统进行优化。学科层分析与系统层分析一起进行, 即优化的设计变量为所有学科设计变量的集合, 优化目标为所有学科目标的集合, 在多学科分析过程中, 任意学科将其他学科分析得到的结果作为自身学科的边界条件, 按顺序对每个学科进行分析迭代, 直至满足收敛条件, 得到整个系统的设计优化解。该方法不对耦合变量做任何处理, 耦合变量的求解通过优化器给定的设计变量采用高斯迭代进行, 同时把学科分析作为等式约束。该方法实质上是对优化问题的直接求解, 简单直观, 且总能得到最优解; 但其缺点是每次迭代要从头遍历所有的设计变量, 计算规模大。MDF的实质是一种对原问题直接解算的方法, 适用于设计变量、约束、目标计算不复杂的系统。

MDF的数学模型可描述为

式中: 为学科局部设计变量; 为学科i的学科输出; 为学科j输入到学科i的耦合变量; z为全局设计变量。图1是MDF的典型结构图。

2 活塞多学科设计优化模型

本文对活塞的MDO主要考虑结构、强度及热分析, 计算时取发动机工作压力为30 MPa, 燃气进口温度为1520.9 K。

2.1 活塞热及结构强度分析

活塞的热分析及强度分析通过UG参数化建模及ANSYS进行分析计算。活塞的有限元模型中全部采用六面体网格, 如图2所示。

图2 活塞有限元模型

图3 活塞温度分布

在强度分析中, 边界条件主要为机械载荷、温度场约束及位移约束, 其中机械载荷主要是活塞顶所受工质燃气压力, 活塞火力岸周围气体压力为进气压力的0.9倍, 活塞第1环岸气体压力为进气压力的0.2倍。计算时考虑了材料性能随温度的变化。计算得到结构强度分析如图4所示, 最大应力约为605MPa, 活塞顶面所受应力并不大, 顶面外侧应力小于其内侧; 活塞变形呈喇叭口状, 最大变形量约为0.23 mm, 在径向方向的最大变形量约为0.1572 mm, 出现在活塞顶边缘部位, 小于活塞头部火力岸与汽缸套间的间隙0.275 mm。

图4 活塞应力、应变分布

2.2 设计变量

活塞结构如图5所示, 其轻量化主要取决于结构形式和尺寸的合理选择, 同时需要满足刚度、强度、导热性及密封等的要求。

图5 活塞结构图

2.3 活塞各学科设计优化分析模型

强度优化目的是为了降低工作过程中活塞应力, 使其在材料的许用范围之内, 约束条件为最大应力不超过活塞的设计要求的许用应力, 最大径向应变不超过活塞与汽缸套内壁间的间隙, 即

结构优化目标为活塞总质量最小, 并满足结构上的设计约束要求。结构优化问题描述为

2.4 目标函数

活塞的设计优化, 由于涉及强度、热分析等学科, 可求得各学科的一些主要的特征参数, 如热分析中可求得最高温度值及温度分布等, 强度计算中可求得应力、变形等, 这些参数是代表各学科要求的重要物理量。而活塞轻量化的目的就是为了降低活塞重量的同时不影响活塞的正常使用。因此, 在对鱼雷摆盘发动机活塞进行多学科设计优化的过程中, 将活塞分析过程中得到的应力、应变、温度等作为约束条件, 以保证活塞的安全工作, 并以活塞的总质量作为优化目标, 即

3 活塞多学科设计优化实现

在各学科分析基础上, 通过一个MDO框架将各学科集成如图6所示, 在该集成框架中, 选择iSIGHT来集成参数化建模软件UG与活塞学科分析软件ANSYS。

3.1 UG和ANSYS的iSIGHT集成

对于iSIGHT集成UG, 首先, 根据未优化前活塞的几何参数在UG中建立其参数化模型(*.prt), 并输出参数文件(*.exp); 其次, 通过C++编译得到用于活塞UG模型自动更新程序及自动实现UG输出中间格式文件(*.x_t或*.igs)的程序, 并建立批处理文件*.bat用于执行这2个程序; 再次, 将上述几个文件存放于同一文件夹中, 在iSIGHT中, 通过过程集成界面使用Simcode的输入、执行及输出设置, 分别将活塞UG模型的参数文件、更新程序及*.x_t文件加载, 从而完成iSIGHT对UG软件的集成, 实现利用UG自动进行活塞的参数化建模及模型更新。

图6 活塞MDO集成框架

对于iSIGHT集成ANSYS, 首先, 通过APDL二次开发得到活塞的ANSYS相关分析的程序文件(*.lgw), 并在ANSYS 中通过“switch output file to”生成含有优化计算所需的变量(如温度、应力、应变、质量等)的输出文件*.txt; 其次, 创建一个批处理文件*.bat, 文件内容为“%ANSYS120_DIR%inintelansys120.exe”-b -p ANSYS -i *.lgw -o *.txt”, 及“del *. txt”, 其中“del *. txt”是为了删除循环迭代中越来越大的中间结果文件; 然后, 将*.lgw文件、*.txt文件和*.bat至于同一路径下, 在iSIGHT的Simcode组件中, 对输入(*.lgw)、输出(*.txt)和执行文件(*.bat)进行解析, 将ANSYS集成到iSIGHT中。

3.2 多学科设计优化实现

采用iSIGHT作为活塞MDO集成框架环境, 基于前述的理论、分析及方法, 得到活塞多学科设计优化的流程如图7所示, 在该流程中, 当前后2次计算出的活塞温度、应力、应变及重量的变化都足够小, 则停止迭代。相应的多学科设计优化集成框架如图8所示。该框架以活塞几何拓扑尺寸为设计变量, 通过iSIGHT集成UG和ANSYS, 实现活塞多学科设计优化的自动进行。

4 活塞多学科设计优化结果及分析

采用iSIGHT提供的序列二次规划法NLPQL作为数值优化算法, 启动集成设计优化平台, 通过多次迭代计算得到收敛的运行结果如表1所示。

图7 活塞MDF设计优化流程

表1 运行结果

图8 活塞MDO集成平台

从优化结果可以看出, 优化后活塞最大应力约为594.7519 MPa, 降低了约10 MPa; 活塞最高温度约为828.949℃, 降低了约55℃; 活塞第1环槽平均温度约为236℃, 降低了约29℃, 且低于润滑油的结胶温度; 最大径向变形为0.1302 mm, 减少了0.027 mm; 活塞重量为0.4326 kg, 降低了21.81%。基于MDO的活塞轻量化在降低活塞重量的同时, 也使活塞所受应力、径向型变量及温度有所下降, 达到了优化的目的。

5 结束语

将MDO方法引入发动机活塞设计中, 综合考虑结构、热分析、强度因素建立活塞MDO模型, 基于iSIGHT集成UG、ANSYS等软件, 构建了活塞多学科优化平台。通过优化计算, 活塞重量下降了约21.81%, 活塞体最高温度下降约6.23%, 活塞头部第1环槽平均温度降低了10.98%, 活塞最大应力下降了约1.66%, 活塞径向最大变形减少17.18%; 在活塞轻量化的同时, 改善了活塞的温度分布及热应力特性, 实现了优化的目的。优化计算稳定性、效率及可靠性高。本文既是MDO应用的拓展, 也为鱼雷发动机的设计提供了一种新的设计思路和方法。

[1] Sobieszczanski-Sobieski J. Sensitivity of Complex Internally Coupled Systems[J]. AIAA Journal, 1990, 28(1): 153-160.

[2] Gideing J P, Barthelemy J M. A Summary of Industry MDO Applications and Needs[C]//7th AIAA/USAF/NA- SA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization, 1998.

[3] Sobieski I P, Kroo I M. Collaborative Optimization Using Response Surface Estimation[J]. AIAA Journal, 2000, 38(10): 1931-1938.

[4] Suh M W, Shim M B, Kim M S. Multidisciplinary Design Optimization of Engine Mounts with Consideration of the Driveline[J]. Journal of Automobile Engineering, 2003, 217(2): 107-114.

[5] Xiao A, Zeng S, Allen J K. Collaborative Multidis- ciplinary Decision Making Using Game Theory and Design Capability Indices[J]. Research in Engineering Design, 2005, 16(1-2): 57-72.

[6] 胡文婕, 陈亮. 基于iSIGHT的汽车盘式制动器多学科设计优化[J]. 农业机械学报, 2010, 41(5): 17-19. Hu Wen-jie, Chen Liang. Multidisciplinary Design Opti- mization for Automobile Disk Brake Based on iSIGHT [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(5): 17-19.

[7] Tosserams S, Kokkoolaras M. A Nonhierarchical Formu- lation of Analytical Target Cascading[J]. Journal of Me- chanical Design, 2010, 132(5): 1-13.

[8] 王超, 高永明, 尹航. 基于iSIGHT的微型飞行器布局优化设计研究[J]. 指挥控制与仿真, 2012, 34(1): 86-91. Wang Chao, Gao Yong-ming, Yin Hang. Aerodynamic Configuration Optimization Design of Micro Air Vehicle Based on iSIGHT[J]. Command Control & Simulation, 2012, 34(1): 86-91.

[9] Guarneri P, Leverrenz J T, Wiecek M M. Optimization of Nonhierarchically Decomposed Problems[J]. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2013, 246: 312- 319.

[10] 姚倡锋, 钱志博. 基于有限元法对鱼雷摆盘发动机活塞温度场和应力场的仿真研究[J]. 鱼雷技术, 2002, 10(1): 32-34.

(责任编辑: 陈 曦)

Multidisciplinary Design Optimization for Wobbleplate Engine Piston of Torpedo Based on iSIGHT

LI Bin-maoQIAN Zhi-boCHENG Hong-jie

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

To solve the multidisciplinary design optimization(MDO) problem for wobbleplate engine piston mechanism of a torpedo, a MDO model is built based on multidisciplinary feasible(MDF) method with comprehensive consideration of structure, temperature, and intensity of the piston. A temperature field model and a stress model of the piston are built by UG and ANSYS, and multidisciplinary optimization analysis and design are conducted by means of numerical analysis and calculation. MDO platform and simulation process are constructed by integrating iSIGHT with UG and ANSYS. Through secondary development of the software, the parameters import, export, and automatic update, as well as the data exchange among different software, are realized on the MDO platform. The MDO results illustrate that the weight of the piston is reduced by 21.81%, the peak temperature and the temperature of the first ring groove decrease by 55℃ and 29℃, respectively, and the maximum stress decreases by 10 MPa. Simulation results show that the MDO method can improve the characteristics of temperature and thermal stress of the piston, and can deal with the coupling of heat and structure effectively, and can promote MDO efficiency.

wobbleplate engine of torpedo; piston; multidisciplinary design optimization; multidisciplinary feasible method; iSIGHT

2014-04-24;

2014-05-16.

李斌茂(1979-), 男, 在读博士, 主要研究方向为水下武器系统设计、武器系统综合设计理论与方法等.

TJ630.32;TP206.3

A

1673-1948(2014)04-0282-06