OptiStruct在风洞设备结构优化设计中的应用

曲明 闫永昌 张国友 董国庆 高静 李盛文

摘要：本文应用HyperWoks的集成模块OptiStruct对风洞架车转盘的回转台面在给定位移和应力约束条件下以体积作为优化目标进行了轻量化设计，首先通过拓扑优化明晰了结构设计形式，然后通过尺寸优化进行细节优化设计，结构优化后减重达到27%。

关键词：回转台面;OptiStruct;拓扑优化;尺寸优化

Abstract

OptiStruct integrated module using HyperWoks rotary table to the wind tunnel car turntable stress constraint conditions in volume as the optimization objective is the lightweight design for location shift and， first by the topology optimization the structure design， and then through the size optimization of the details of the optimization design， the optimized structure weight loss reached 27%.

Keywords： rotary table; OptiStruct; topology optimization; size optimization

引言

风洞架车转盘的回转台面是架车整体结构中的薄弱环节，天平、模型、支撑机构的重量以及气动载荷等均直接或间接作用于此件上，由于气动载荷过大且六元载荷相对复杂，因此无法从力学简单理论计算中评估零件的结构形式，所以此件适用优化方法进行设计以找到最优结构。HyperWoks的集成模块OptiStruct具有强大的结构优化功能，本文应用OptiStruct对某风洞架车转盘的回转台面进行了拓扑优化、尺寸优化，在满足刚强度要求的前提下，零部件的结构形式实现了最优化以及轻量化的设计目标。

1.拓扑优化

1.1 有限元模型的建立

回转台面外部空间与回转轴承固定连接，内部空间与供气系统连接，这两部分是不可设计空间，可设计空间是中间区域，为便于施加结构优化的边界条件，将模型分为三部分，建立的有限元模型如图1所示，材料采用Q235。

图1 回转台面有限元模型

气动载荷等效作用于天平校心，载重约为7吨，天平校心位于回转台面中心上方525mm处，载荷的施加通过MPC实现。

1.2 拓扑优化结果及分析

该模型的拓扑优化约束函数有两个，第一个约束函数是模型所有节点的位移小于1mm，第二个约束函数是所有单元的最大应力小于120MPa，优化目标函数是模型可设计区域的体积最小，拓扑优化的结果如图2所示，从图中可以看出红色区域及绿色区域相对重要，这些区域材料需要保留，深蓝色区域材料的力学贡献较少，可以去除，因此回转台面的结构设计形式应该是环形对称的链条式的结构，最大位移0.84mm，最大应力60.28 MPa。

图2 拓扑优化结果

2.尺寸优化

2.1 结构改进

依据拓扑优化结果对结构进行改进，将不重要区域的材料去除，在重要区域设置环筋和立筋，通过计算可知可知改进结构的最大位移为1mm，最大应力为74.35 MPa。

2.2 尺寸优化结果及分析

结构形式确定后，采用尺寸优化方法来确定板型零件的厚度分布， 将结构各个板面的厚度作为尺寸优化变量，考虑到实际生产情况，将立筋设置为关联变量，即10组立筋的厚度一致，约束函数有两个，第一个约束函数是模型所有节点的位移小于1mm，第二个约束函数是所有单元的最大应力小于120MPa，优化目标函数是模型可设计区域的体积最小，优化后位移约为1mm，应力约为80MPa，位移云图如图3所示。

图3 位移云图

3.优化结果及分析

经过拓扑优化、尺寸优化最终得到的模型减重情况如表1所示，通过对比，可见减重效果明显，结构更加合理，优化后结构的位移和应力均能够满足实验要求。

表1 优化前后结构质量比较

优化前质量

优化后质量

减重质量

减重百分比

1048.6 kg

766.7 kg

281.9 kg

27%

4.结论

本文基于结构优化辅助设计方法对风洞架车转盘的回转台面进行了优化设计，借助HyperWoks的集成模块OptiStruct对部件进行了拓扑优化及尺寸优化，最终得到了新型的回转台面结构，在满足变形及应力要求前提下，减重达27%，依据本文分析说明在载荷情况复杂，无法预知结构形式情况下，拓扑优化等设计方法具有较大优势，同时验证了OptiStruct在风洞设备结构设计中的适用性和有效性。

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.