基于HyperWorks的回转台承载框架结构分析与优化

曲明 闫永昌 张国友 董国庆 高静 李盛文

摘要：本文论述了HyperWorks的RADIOSS解算器和OptiStruct优化模块在风洞架车的回转台承载框架结构分析与优化中的应用，使用RADIOSS对初始设计方案进行分析，将计算得到的性能参数与实验要求进行比较，进而采用OptiStruct寻找到载荷传递路径，对结构进行优化，在同时满足多工况使用需求下，实现了轻量化设计。

关键词：承载框架;OptiStruct;拓扑优化;尺寸优化

引言

FL-9风洞是一座高性能的高雷诺数的低速风洞，为满足在FL-9风洞进行滑流试验所需的大载荷要求，需要配备一台新的架车，回转台承载框架作为该架车的重要组成部分。由于载荷情况复杂，采用理论计算找到最佳设计方案的方法均不适合，因此有必要采用优化设计的方法寻找结构的载荷传递路径以达到材料的高效利用。本文以回转台承载框架为研究对象，采用OptiStruct优化模块对结构进行了优化设计，使得结构在满足多工况使用需求情况下，实现了轻量化设计。

1.初始设计方案分析

回转台承载框架位于架车转盘的底部，是模型及支撑机构等的承载部件，同时受到气动载荷的作用，上法兰面与车体固定连接，采用HyperWorks的RADIOSS解算器进行线性静力分析计算，可知承载框架的各组成部分在设计载荷作用下的最大位移为0.07mm，单元最大应力为21.83MPa，质量14.6吨，由此可见具有较大的优化空间。

1.1 有限元模型

为进一步进行分析优化，将结构简化为壳单元建立有限元模型，有限元模型如图2所示，模型共计15978个节点，15734个四边形单元，均采用四边形壳体单元，材料采用Q235。

图2 回转台承载框架有限元模型

1.2 载荷工况及边界条件

1.2.1 载荷工况

气动载荷等效作用于天平校心，载重约为7吨，载荷的施加通过多点约束实现，因为还要考虑到振动特性，所以除了静力分析工况外，还需要进行模态分析。

1.2.2 边界条件

由于上法兰面固定连接，所以约束该法兰面所有节点的x，y，z平移及转动自由度。

2.拓扑优化设计

2.1 优化要素

2.1.1优化设计变量

将外形一致的法兰作为非设计变量，其余组成部分均设置为设计变量。

2.1.2优化约束

应力约束：小于120MPa;

固有频率约束：第7阶固有频率小于496Hz;

体积分数约束：体积分数小于0.3;

对称约束：考虑到工艺性，采用对称约束来强制优化结果对称;

2.1.3优化目标：在满足静力工况和模态工况条件下，静态柔度最小。

风洞在70m/s风速下的激振频率为709.28 Hz，所以激振频率高低范围按照0.7倍及1.4倍计算，应为496 Hz～993 Hz，由于设备固有频率较低，且由于模态主要由前几阶模态组成，因此固有频率优化约束设置为第7阶固有频率小于496 Hz。

2.2 优化结果

拓扑优化结果如图3所示，从图中可观察最佳材料分布及载荷传递路径，单元密度为1的区域即红色区域材料很重要，需要保留，单元密度为0的区域即蓝色区域材料不重要，可以去除，从而达到材料的高效利用。

图3 拓扑优化结果

3.尺寸优化设计

经过拓扑优化后，承载框架的最佳结构形式已经确定，按照载荷传递路径进行针对性加强后依然重达11.434吨，因此在拓扑优化基础上需要采用尺寸优化设计方法对于壳体厚度进行优化以实现进一步减重目的。

3.1 优化要素

3.1.1优化设计变量

除与供气系统的设备接口尺寸保持不变外，其余22组壳体厚度均设置为设计变量。

3.1.2优化约束

考虑静力及模态两个载荷工况，由于尺寸优化无法将应变能作为优化目标，所以施加如下约束：

应力约束：小于120MPa;

位移约束：所有节点位移小于0.5mm;

固有频率约束：第7阶固有频率小于496Hz;

对称约束：考虑到工艺性，采用对称约束来强制优化结果对称;

3.1.3优化目标：在满足静力工况和模态工况情况下，体积最小。

3.2 优化结果

计算可知最大位移为0.488mm，最大应力为61.09 MPa，第7阶固有频率约为157Hz，由此也证明了分析的准确性。

4.结论

采用RADIOSS解算器对回转台承载框架初始设计方案进行计算，经过分析知该结构具有较大优化空间，首先在概念设计阶段采用OptiStruct进行拓扑优化，找到载荷传递路径，将薄弱部分进行加强，在结构形式确定后的详细设计阶段，进一步采用OptiStruct进行尺寸优化，最终采用RADIOSS解算器对改进结构进行了分析验证，结构的最终优化重量为7.552吨，减重约48%，由此可见减重效果明显，实现了结构的轻量化设计。

参考文献：

[1]洪清泉，赵康等.OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M].机械工业出社，2013.1

[2]张胜兰，郑冬黎等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].机械工业出版社，2008.9

[3]欧贺国，方献军，洪清泉等.RADIOSS理论基础与工程应用[M].机械工业出社，2013.1