CN111709094B - 一种锚绞机基座结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锚绞机基座结构优化方法，其特征在于：具体优化方法如下：S1：锚机基座模型建立；S2：有限元分析；S3：拓扑优化及分析结构对比；S4：创建优化模型；S5：对比分析；本发明在原基座模型力学分析的基础上，运用软件对基座进行拓扑优化，并通过设置不同的优化参数，对原基座模型设计空间材料重新布置，从而获得全新的优化结构，并将优化后基座模型与原模型进行力学性能对比分析；通过优化前后基座结构的对比分析可以得出，优化后基座的整体重量减轻了5.78％，最大总位移量减小了0.174mm，同时使基座的强度、动态特性以及抗振性能得到了提高，增强了基座的力学性能，满足基座设计的经济性与安全性。
Description
技术领域
本发明涉及锚绞机基座设计领域，尤其涉及一种锚绞机基座结构优化方法。
背景技术
“绿色船舶”是当下船舶工业的发展方向，而锚绞机作为船舶锚泊系统的重要配套设备，是船舶必不可少的甲板机械，在技术上也向着经济、节能、绿色环保方向发展。锚机基座是连接船体结构和锚机本体的纽带，是锚机的重要承载部件，其结构设计的可靠性对于保障锚机和船舶的安全运行显得极为关键。传统设计锚机基座主要依靠经验公式来设计，缺乏精确的强度计算，靠采用较高的安全系数来保证其安全性能，使得基座体积过于庞大，结构过于笨重，机械传动的效率不高，造成材料和能源的浪费。因此，对锚机机型轻量化技术研究，优化其结构，提高传动效率，将是锚绞机和其他船舶设备未来发展的必然趋势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种锚绞机基座结构优化方法，能够解决传统设计锚机基座主要依靠经验公式来设计，缺乏精确的强度计算，靠采用较高的安全系数来保证其安全性能，使得基座体积过于庞大，结构过于笨重，机械传动的效率不高，造成材料和能源的浪费的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种锚绞机基座结构优化方法，其创新点在于：具体优化方法如下：
S1：锚机基座模型建立：采用三维软件进行锚机基座的三维建模，去掉螺栓孔及倒角，简化基座模型；
S2：有限元分析：通过软件对锚机基座模型进行静力学分析和模态分析，得到基座的等效应力云图和变形云图，确定其强度和刚度；
S3：拓扑优化及分析结构对比：将锚机基座模型导入软件中对其进行拓扑优化，通过不断改变质量目标占全部设计空间体积的百分比以及减小频率约束、厚度约束的参数，进行若干次迭代计算，得到拓扑优化最佳效果结果；
S4：创建优化模型：优化后锚绞机基座实体模型去除链轮轴承座下端和左右上方部分设计空间材料以及锚绞机基座中间连接梁和加强筋的部分设计空间材料；
S5：对比分析：将优化后的锚绞机基座模型再次进行静力学分析和模态分析，分析对比优化前后锚绞机基座模型各性能参数，验证其优化结构的合理性；
所述S3拓扑优化及分析结构对比的步骤如下：
结构有限元分析：初始化设计域的网格划分，对结构进行有限元分析；
计算目标函数及约束方程值：初始化几何边界的高维函数表达，以高维函数的零等势面来描述结构的边界几何表达，通过将初始设定的结构几何边界用高维的信息描述，将优化问题转化成为目标函数J(u，φ)；其中为几何边界的高维函数表达，u是定义于结构几何区域Ω上的一个场函数；
形状敏度分析：所述形状敏度为目标函数对于结构几何边界高维表达函数的时间变量t的导数，其表达为
约束条件的罚函数更新：以数学规划中的乘子更新罚函数拉格朗日乘子；
边界演化：以前述形状敏度分析所获得的边界法向速度场Vn来驱动高维边界函数，高维边界表达函数更新后的低维结构边界将随之更新并不断逼近最优结构。
本发明的优点在于：
1)本发明中针对船用锚机基座质量轻、动态特性好的设计要求，采用软件对基座进行静力学分析和应用对基座进行模态分析，确定了基座可优化空间，为基座的减重设计提供了科学的理论依据。
2)在原基座模型力学分析的基础上，运用软件对基座进行拓扑优化，并通过设置不同的优化参数，对原基座模型设计空间材料重新布置，从而获得全新的优化结构，并将优化后基座模型与原模型进行力学性能对比分析。
3)通过优化前后基座结构的对比分析可以得出，优化后基座的整体重量减轻了5.78％，最大总位移量减小了0.174mm，同时使基座的强度、动态特性以及抗振性能得到了提高，增强了基座的力学性能，满足基座设计的经济性与安全性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的一种锚绞机基座结构优化方法的流程图。
图2为本发明的一种锚绞机基座结构优化前的结构示意图。
图3为本发明的一种锚绞机基座结构优化后的结构示意图。
图4为本发明的一种锚绞机基座结构优化前后固有频率值对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图4所示的一种锚绞机基座结构优化方法，具体优化方法如下：
S1：锚机基座模型建立：采用三维软件进行锚机基座的三维建模，为了提高后期有限元网格划分质量，增加有限元分析的精度和计算速度，去掉螺栓孔及倒角，简化基座模型；
S2：有限元分析：通过软件对锚机基座模型进行静力学分析和模态分析，得到基座的等效应力云图和变形云图，确定其强度和刚度，为基座结构的轻量化提供理论依据；具体为，首先将基座实体模型导入软件中，定义基座的材料属性，轴承座材料为20钢，弹性模量E为213GPa，泊松比μ为0.282，屈服强度和抗拉强度为245MPa和410MPa；余部分为Q235的船板结构弹性模量E为210GPa，泊松比μ为0.274，屈服强度和抗拉强度为235MPa和460MPa；在基座底脚板与甲板连接处添加位移约束，以限制三个方向的自由移动，并在轴承座孔内设置圆柱约束，以限制径向运动和轴向运动，只允许有圆周方向的转动
S3：拓扑优化及分析结构对比：进行拓扑优化计算之前，首先需要进行将锚绞机基座的结构分为设置区域和非设计区域；设计区域主要包括两块腹板、六块加强筋板、两块腹板之间的链接梁结构，总共十个部分，其他的板件为非设计区域，在拓扑优化过程中可直接去除不必要的材料；然后以拓扑优化的设计空间材料单元密度为设计变量，以基座模型的最大化刚度作为优化目标，并设置质量优化目标体积占设计空间总体积的30％；最后来时拓扑计算；为使得拓扑优化的效果最佳，不断改变质量目标占全部设计空间体积的百分比以及减小频率约束、厚度约束等参数，多次迭代计算，得到拓扑优化最终结果。将锚机基座模型导入软件中对其进行拓扑优化，通过不断改变质量目标占全部设计空间体积的百分比以及减小频率约束、厚度约束的参数，进行若干次迭代计算，得到拓扑优化最佳效果结果。
S4：创建优化模型：优化后锚绞机基座实体模型去除链轮轴承座下端和左右上方部分设计空间材料以及锚绞机基座中间连接梁和加强筋的部分设计空间材料；基座实际的工作情况和加强筋本身的作用出发，连接梁和加强筋的材料不作减少，保证其原有结构的完整性。
S5：对比分析：将优化后的锚绞机基座模型再次进行静力学分析和模态分析，分析对比优化前后锚绞机基座模型各性能参数，验证其优化结构的合理性；如下表1所示：从优化后模型的静力学分析可知，优化后基座的最大应力值由原来的125.70MPa增加到142.10MPa，仍在材料的许用应力范围之内，优化后基座的最大位移变形量由原来的0.620mm减小到0.446mm，且X、Y、Z三个方向最大位移变形量如表2所示；从模态分析结果可知，优化后基座最低固有频率值由原来的125.71Hz增加到177.40Hz,远高于基座最大激震频率，因此不会与其他部件发生共振；表3为优化后基座模型的固有频率值。
表1性能参数对比
| 项目 | 质量/kg | 最大应力/MPa | 最大变形/mm | 一阶模态/Hz |
| 优化前 | 2643.23 | 125.7 | 0.620 | 152.7 |
| 优化后 | 2490.59 | 142.1 | 0.446 | 177.4 |
| 变化值 | 152.64 | 16.40 | 0.174 | 24.70 |
| 变化率 | 5.78％ | 13.05％ | 28.10％ | 16.18％ |
表2优化后基座模型最大变形量
| 方向 | X方向变形 | Y方向变形 | Z方向变形 |
| 最大变形量/mm | 0.314 | 0.016 | 0.335 |
表3优化后基座模型固有频率值
| 次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 频率/Hz | 177.40 | 177.72 | 259.59 | 275.07 | 287.15 | 287.83 |
对比结论如下：
对比分析优化前、后基座的各性能参数可知，优化后基座模型的总质量减少了152.64Kg，减重率为5.78％；基座最大等效应力略微增大，且总变形量略微减少，但对锚机整体结构的可靠性不会产生影响；优化后的基座固有频率值有所提高，仍大于整体结构的激振频率，对整体结构的稳定性不会产生影响。优化前后各性能参数对比可知，基于拓扑优化方法对锚机基座进行轻量化设计达到了预期的理想效果，使基座在满足整体结构强度、刚度的同时达到了到减轻重量的目的，所以优化后的锚机基座符合设计要求，为船用锚机的结构设计提供了可行性的参考。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种锚绞机基座结构优化方法，其特征在于：具体优化方法如下：
S1：锚机基座模型建立：采用三维软件进行锚机基座的三维建模，去掉螺栓孔及倒角，简化基座模型；
S2：有限元分析：通过软件对锚机基座模型进行静力学分析和模态分析，得到基座的等效应力云图和变形云图，确定其强度和刚度；
S3：拓扑优化及分析结构对比：将锚机基座模型导入软件中对其进行拓扑优化，通过不断改变质量目标占全部设计空间体积的百分比以及减小频率约束、厚度约束的参数，进行若干次迭代计算，得到拓扑优化最佳效果结果；
S4：创建优化模型：优化后锚绞机基座实体模型去除链轮轴承座下端和左右上方部分设计空间材料以及锚绞机基座中间连接梁和加强筋的部分设计空间材料；
S5：对比分析：将优化后的锚绞机基座模型再次进行静力学分析和模态分析，分析对比优化前后锚绞机基座模型各性能参数，验证其优化结构的合理性；
所述S3拓扑优化及分析结构对比的步骤如下：
结构有限元分析：初始化设计域的网格划分，对结构进行有限元分析；计算目标函数及约束方程值：初始化几何边界的高维函数表达，以高维函数的零等势面来描述结构的边界几何表达，通过将初始设定的结构几何边界用高维的信息描述，将优化问题转化成为目标函数J(u，φ)；其中φ为几何边界的高维函数表达，u是定义于结构几何区域Ω上的一个场函数；
形状敏度分析：所述形状敏度为目标函数对于结构几何边界高维表达函数的时间变量t的导数，其表达为约束条件的罚函数更新：以数学规划中的乘子更新罚函数拉格朗日乘子；
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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