3.1 基于现有截面形状的尺寸优化设计
3.1.1 关键尺寸的DOE分析
运用DOE(DesignofExperiment)方法,对现有截面的三个关键尺寸参数:外壁厚度T_〇UTER,内壁厚度TJNNER,内外壁内加强筋宽度T_R旧进行试验设计,图3给出了三个尺寸设置范围(内外壁厚不得低于1.8mm[4]),每个尺寸区间内取值6个,共组合出512组不同水平的尺寸组合(图4),将六级环刚度试验条件下管道变形量作为试验响应,基于仿真分析手段,评估各参数对环刚度的贡献率,从而发现如何控制各参数,找到达到较优环刚度的尺寸组合。
图3 三个尺寸的设置区间
图4 DOE分析的尺寸组合
鉴于要分析的试验数量较多,采用了相对简化的仿真模型进行计算分析,从而快速获取各尺寸组合下的试验响应,评估比较三个尺寸因子对环刚度的影响大小,具体仿真模型如下图5:对前述管道结构抽取中面,对内外壁及加强筋赋予壳单元的属性(其中厚度值在HyperStudy中被设置为可变参数),上下压板则使用集中力和固定约束进行替代,采用OptiStruct进行静力计算。由于模型进行了简化,对应原始结构样品的尺寸设置,使用该模型计算的管道变形量为17.31mm(图6),将此数值作为后续DOE分析各试验点响应量的比对基准。
图5 原有管道简化仿真分析模型
图6 简化模型的分析结果
3.1.2 DOE结果分析
通过上述DOE试验设计得到分析结果,可直观看出各尺寸对环刚度的影响程度,如下图7展示了三个尺寸因子变化对环刚度的影响,斜率越大的表示影响程度越大,可看出三个尺寸参数影响最大因子为加强筋宽度(T_RB),其次为外壁厚度(T_〇UTER),最后为内壁厚度(TJNNER),由此分析可对后续优化设计提供指导,在尺寸用量上按上述影响程度相对加减,从而找到满足性能且可省材的尺寸组合。