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基于HyperWorks的抽油机底座拓扑优化研究

2017/10/2    来源:互联网    作者:王德威  李秀娟      
关键字:HyperWorks  屈曲分析  模态分析  拓扑优化  
本文以有限元理论为基础,在HyperWorks软件仿真环境下,以在产抽油机某机型减速器底座为设计分析对象,结合模态分析、屈曲分析完成拓扑优化过程。

    1 研究背景

    拓扑优化在机械行业的减轻重量、提高结构强度研发中作用日益重要。本文主要介绍怎样在HyperWorks环境下进行优化设计,并以有限元理论和API标准为基础,以某厂在产抽油机主结构件(以减速器筒体为例)为对象实现产品性能的优化过程。

    HyperWorks是Altair公司开发的成套工程软件环境,其 OptiStruct模块使用拓扑优化方法进行前导型仿真优化设计,是专门为产品的概念设计和前导设计开发的结构分析和优化工具,拥有快速、精确的线性有限元求解器。

    在HyperWorks仿真环境中,利用CATIA建立好三维模型,分别导入软件中进行划分网格。模态分析的作用在是识别出系统的模态参数,为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。完成约束条件下的模态分析,而后在其基础上完成屈曲分析、拓扑优化等过程。

    2 拓扑优化

    拓扑优化是一种数学方法,能在给定的空间结构中生成优化的形状及材料分布。通过将区域离散成有限元网络,OptiStruct 为每个单元计算材料特性,在给定的约束条件下,利用OptiStruct 中的近似和优化算法更改材料的分布,以优化用户给定的设计目标,当目标函数在任意连续的三次迭代中的改变量低于给定公差时,即得到收敛结果。

    拓扑优化技术能在给定的设计空间内寻求最佳的材料分布,采用壳单元或者实体单元来定义设计空间,并用Homogenization(均匀化)和Density(密度)两种方法来定义材料的流动规律。通过OptiStruct 中先进的近似法和可靠的优化方法可以搜索到最佳路径设计方案。而后利用OSSmooth 工具,可以将拓扑优化结果生成IGES 等格式的文件,然后输入到CAD 系统进行二次设计。

    在HyperWorks 的OptiStruct 在进行结构优化时,用户可以使用多个从有限元分析计算中得到的结构响应的组合来定义目标函数和约束函数。

    概括起来,OptiStruct 完成结构优化过程分为三步:

    1.使用HyperMesh 创建适当的求解器输入文件。

    1) 建立有限元分析模型。

    2) 使用HyperMesh设置优化要素,包括:定义优化设计变量及设计空间(可设计区域)、用于评测目标函数的约束条件的结构响应、定义优化设计约束和目标。

    3) 定义OptiStruct的参数卡片

    2.运行OptiStruct计算

    3.验证查看结果

    3 减速器筒体拓扑优化步骤

    减速器筒体作为抽油机底座关键支撑部件,受周期性交变载荷,其可靠性研究一直作为各抽油机厂家主要课题。

    对于减速器筒体拓扑优化首先规定可设计区域设定拓扑优化单元数: 298621

    拓扑优化单元体积:4.0201E+07(mm3)

    拓扑优化单元质量: 3.1759E-01(ton)之后进入拓扑优化界面(如下图1、2 所示)

    1

    图1 HyperWorks 优化模块界面

    2

    图2 指定响应条件操作界面

责任编辑:张纯子
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