CN110889166B - 基于热力耦合约束的航空用轴承支架轻量化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于热力耦合约束的航空用轴承支架轻量化设计方法，包括：对输入原始零件模型表面进行网格划分，对原始零件模型进行热力耦合约束下应力分析，判断是否有优化空间，若有，根据应力分析结果重建模型；基于变密度法对重建模型进行拓扑优化，参考优化结果重建模型，对拓扑优化模型进行有限元分析判断是否仍有优化空间，若有，选择单胞用三维图形布尔运算操作填充至拓扑优化模型中应力仍较小的区域，完成点阵优化；为一次优化后模型添加支撑，针对添加支撑结果调整模型以尽可能减少支撑，针对二次优化结果进行应力校核。

Description

基于热力耦合约束的航空用轴承支架轻量化设计方法

技术领域

本发明涉及一种优化设计方法，特别是一种基于热力耦合约束的航空用轴承支架轻量化设计方法。

背景技术

传统优化方法根据设计变量的不同可以分为拓扑优化、形状优化、尺寸优化，分别对应结构设计的概念设计、打样设计和详细设计阶段，通过将两种以上的优化方法相结合可以获得比较完备理想的优化效果，也就是分级优化。传统分级优化一般是上述三种优化方法的组合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热力耦合约束的航空用轴承支架轻量化设计方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于热力耦合约束的航空用轴承支架轻量化设计方法，包括以下步骤：

步骤1，对输入原始零件模型表面进行网格划分，对原始零件模型进行热力耦合约束下应力分析，判断是否有优化空间，若有，根据应力分析结果重建模型；

步骤2，基于变密度法对重建模型进行拓扑优化，参考优化结果重建模型，对拓扑优化模型进行有限元分析判断是否仍有优化空间，若有，选择单胞用三维图形布尔运算操作填充至拓扑优化模型中应力仍较小的区域，完成点阵优化；

步骤3，为一次优化后模型添加支撑，针对添加支撑结果调整模型以尽可能减少支撑，针对二次优化结果进行应力校核。

进一步地，所述步骤1具体过程为：

步骤1.1，输入原始零件模型，设定参数对原表面网格进行自适应重划分，并划分体网格；

步骤1.2，为原始零件模型赋予材料参数、施加热力耦合约束条件，进行有限元分析，根据应力分布情况判断是否有优化空间；

步骤1.3，若有优化空间则按下述原则重建模型：应力过大区域加厚处理，消除孔洞与倒角；

步骤1.4，输入重建模型，为模型定义固定约束以及集中力和温度载荷，设定优化目标参数进行拓扑优化，参考优化结果孔洞布局重建模型；

步骤1.5，针对拓扑优化结果赋予材料参数并定义约束及载荷，进行有限元分析，针对应力分布情况判断是否仍有优化空间；

步骤1.6，根据几种自支撑异形点阵结构高温压缩性能的测试数据，挑选性能最好的单胞Primitive单胞。基于对零件的有限元分析结果，使用布尔运算“减”与“并”对零件中应力较低处进行晶格填充，完成点阵优化。

进一步地，步骤3的具体过程为：

步骤3.1：按小于30°的悬垂区域添加支撑的原则为一次优化后模型添加支撑；

步骤3.2：通过调整孔洞外形、加强筋角度并适当增加孔洞的方式来尽可能减少小于30°的悬垂区域；

步骤3.3：针对二次优化结果进行有限元分析，通过应力校核后完成全部设计。

本发明将较新的点阵优化方法与拓扑优化方法相结合，通过拓扑优化获得零件较优材料布局，再针对拓扑优化后零件尚存在优化空间的区域进行点阵优化以获得更好的优化效果。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是一种拓扑-点阵优化流程图。

图2是一种航用轴承支架。

图3是支架网格划分示意图。

图4是重新划分表面网格的示意图。

图5是原始支架的应力分布云图。

图6是支架拓扑优化结果示意图。

图7是支架拓扑优化后的应力分布云图。

图8是点阵优化原理图。

图9是拓扑优化后再进行点阵优化的示意图。

图10是生成支撑后的加工模型图。

图11是二次优化结果示意图。

图12是最终优化结果的应力云图。

具体实施方式

本发明主要基于对几种自支撑异形点阵结构高温压缩性能的测试，提出一种在热力耦合约束下结合拓扑优化与点阵优化的优化设计方法，并以一航空轴承支架为例对优化方法进行具体阐述。本发明对原支架stl文件网格重划分，改善网格质量并划分体网格，针对热力耦合约束下应力计算结果重建模型，基于变密度法对重建模型进行拓扑优化，基于对拓扑优化结果的应力分析结果，对应力较小处填充经过测试得出的性能最佳的点阵结构，完成一次优化设计后对零件支撑进行模拟，并以尽可能减少支撑为目的调整模型孔洞构型和加强筋角度，完成二次优化设计后再进行一次应力校核。该优化方法结合了拓扑优化与点阵优化的优点，既改善了零件应力分布也达到了轻量化的目的。

为了达到上述目的，得到最终优化处理结果，以下将结合附图和实例，对本发明做进一步详尽说明。本发明的优化流程图参见图1，现结合如图2所示一种航用轴承支架的优化设计具体说明优化步骤，如下：

步骤1.1：有限元网格划分是进行有限元数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性，如果模型的网格划分效果很差，则在输入模型后，需要重新划分模型的表面网格，划分体网格。图2所示的支架，其网格划分效果很差如图3所示，利用3-matic软件重新划分网格后如图4所示；

步骤1.2：导入重新划分好网格的模型进行有限元分析，先为整个零件赋予材料属性然后施加热力耦合约束，得到应力云图。图2所示的航用轴承支架的仿真具体操作如下：先为整个零件赋予材料属性。材料参数包括高温(250℃)下弹性模量、密度、泊松比、线膨胀系数以及真实应力-塑性应变数据。热力耦合约束条件是指除轴承座孔收到向下的16000N的外载荷以外，自身还由于高温会膨胀，在收到固定约束时会产生较大的热应力，故最终零件应力分布是力载荷与热载荷产生的应力的叠加。设置分析步时先创建第一个分析步，此分析步中温度由20℃升高至250℃，第二个分析步开始施加集中力。四个螺栓孔施加完全固定约束，轴承孔施加拉力前先把孔上所有点耦合约束到中点上，再直接对中点施加向下16000N集中力，得到其应力云图如图5所示。

根据应力分布情况判断是否有优化空间，在服役工况下零件无应力超过屈服极限区域，且有较多区域应力远小于屈服极限属于有优化空间。若有局部应力过大，但也有较多区域应力较小则也可在对薄弱区域进行加厚处理的基础上进行优化。若整体应力已经较均匀且都接近屈服极限则无优化空间。

步骤1.3：根据原始零件应力分布结果，将应力过大处加厚处理，加厚至该区域应力低于材料屈服应力，其余部位做适当简化，增大优化空间。

步骤2.1：输入三维模型，为模型定义固定约束以及集中力和温度载荷，进行拓扑优化。固定约束指底座四个螺栓孔完全固定。集中力载荷是指对螺栓孔施加向下的16000N的力，温度载荷是指温度从20℃升高至250℃。拓扑优化是基于变密度法，其基本原理是以相对密度为设计变量，用数学规划法或优化准则法求解，人为设定一个相对密度的阈值，低于阈值的单元直接删除。对图2所示的支架进行拓扑优化，优化目标为刚度最大化，质量目标为35％，优化结果如图6所示。

步骤2.2：参考优化结果孔洞布局重建模型，优化结果孔洞布局由软件拓扑优化可以得到一个不光滑的优化零件，相对于原来零件有很多孔洞，参考这个孔洞布局，我们在solidworks中直接对原零件进行重建。

步骤2.3：对拓扑优化后的结果进行有限元分析，得到应力云图。该支架拓扑优化后的应力云图如图7所示，可以发现数值最大的区域明显减少，说明危险易失效区域明显减少，应力分布得到明显改善。

步骤2.4：针对拓扑优化结果赋予材料参数并定义约束及载荷，进行有限元分析，针对应力分布情况判断是否仍有优化空间，当满足整体应力不超过屈服应力的前提下，零件仍有部分区域应力远小于屈服应力时可以优化。

步骤3.1：参考几种自支撑异形点阵结构高温压缩性能的测试数据，挑选性能最好的单胞Primitive单胞。基于对零件的有限元分析结果，使用布尔运算对零件中应力较低处进行晶格填充。先使用一定尺寸立方体与原零件做“减”运算，将原零件消去部分，再将预填充点阵结构移动到缺失部分与零件做“并”运算，原理如图8所示。注意此时最好令点阵结构尺寸略大于用来挖洞的立方体尺寸，使得点阵结构移动到零件中时与零件有明显体积重叠，若尺寸刚好相同则会出现大量面重叠，做完布尔运算之后会出现大量质量差且难以修复的面。支架的点阵优化结果如图9所示。

步骤4.1：将一次优化(一次优化是指针对原始零件的初次拓扑优化以及点阵优化)后的零件导入Magics软件，创建加工平台，选择机器为Concept Laser M3 Linear 250×250，调整零件摆放角度、位置及高度后生成支撑，默认角度小于30°的悬垂区域会添加支撑，生成支撑后的加工模型如图10。

步骤4.2：由于一次优化未考虑3D打印加工方式的限制，生成了过多支撑，故需修改拓扑优化生成的减重孔外形，将减重孔修改成顶部呈尖角状，此外将加强筋倾角增大至30°以上，同时在右侧点阵填充区上部新生成一个尖角状减重孔以去除对应的支撑。二次优化(二次优化是指拓扑优化以及点阵优化后，以减少打印支撑为目的，以手动调整孔洞外形和加强杆角度为主要方式的后续优化)结果如图11，支撑明显减少，适合3D打印。

步骤4.3：将二次优化模型生成体网格后导入ABAQUS进行有限元分析，应力云图如图12所示，应力分布情况相对于原始零件明显改善。

Claims (1)

1.一种基于热力耦合约束的航空用轴承支架轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对输入原始零件模型表面进行网格划分，对原始零件模型进行热力耦合约束下应力分析，判断是否有优化空间，若有，根据应力分析结果重建模型；

步骤2，基于变密度法对重建模型进行拓扑优化，参考优化结果重建模型，对拓扑优化模型进行有限元分析判断是否仍有优化空间，若有，选择单胞用三维图形布尔运算操作填充至拓扑优化模型中，完成点阵优化；

步骤3，为一次优化后模型添加支撑，针对添加支撑结果调整模型以减少支撑，针对二次优化结果进行应力校核；

步骤1具体过程为：

步骤1.1，输入原始零件模型，设定参数对原表面网格进行自适应重划分，并划分体网格；

步骤1.2，为原始零件模型赋予材料参数、施加热力耦合约束条件，进行有限元分析，根据应力分布情况判断是否有优化空间；

步骤1.3，若有优化空间则按下述原则重建模型：应力过大区域加厚处理，消除孔洞与倒角；

步骤1.4，输入重建模型，为模型定义固定约束以及集中力和温度载荷，设定优化目标参数进行拓扑优化，参考优化结果孔洞布局重建模型；

步骤1.5，针对拓扑优化结果赋予材料参数并定义约束及载荷，进行有限元分析，针对应力分布情况判断是否仍有优化空间；

步骤1.6，根据几种自支撑异形点阵结构高温压缩性能的测试数据，挑选Primitive单胞；基于对零件的有限元分析结果，使用布尔运算“减”与“并”对零件进行晶格填充，完成点阵优化；

步骤3的具体过程为：

步骤3.1：按小于30°的悬垂区域添加支撑的原则为一次优化后模型添加支撑；

步骤3.2：通过调整孔洞外形、加强筋角度并通过增加孔洞的方式减少小于30°的悬垂区域；

步骤3.3：针对二次优化结果进行有限元分析，通过应力校核后完成全部设计。

Images