CN112270048A - 一种应用于设备安装转接件的结构拓扑优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用于设备安装转接件的结构拓扑优化设计方法，对设计的转接件采用有限元分析、拓扑优化处理获得优化的结构形式，结合设计的厚度优化算法对优化的转接件进行规则化处理，再次通过有限元分析后获得较优的转接件结构，通过增材制造方法制造转接件。该方法在设备安装转接件满足零件功能/性能要求下实现轻量化，同时引入增材制造方法，提高零件制造效率，降低零件成本，缩短制造周期。

Description

一种应用于设备安装转接件的结构拓扑优化设计方法

技术领域

本发明属于航天产品结构设计优化领域技术，具体涉及设备安装转接件结构轻量化设计方法。该方法基于拓扑优化技术以及增材制造方法，实现设备安装转接件合理化、轻量化设计，缩短零件设计与制造周期，在满足零件结构强度与刚度要求基础上进行结构优化。

背景技术

随着针对航天产品的研制要求不断提高，为实现航天产品的更新换代，推陈出新，设计出更多具有竞争力的产品，各航天研究单位纷纷推出新的举措，不断采用新技术、新方法，实现产品质量提高与产品上市交付周期缩短双目标。

为实现飞行器精确可靠飞行，需安装多种设备及传感器，鉴于某些设备及传感器不能直接安装于舱体之上，则需引入过渡零件，比如安装支架、安装板等，具体实施过程是首先实现设备或传感器与过渡零件连接，再实现过渡零件与舱体的安装。采用过渡零件安装零部件，增加了零件数量，而零件数量的增多不仅增加了安装工作量，同时增加了产品复杂程度及产品重量，直接影响产品制造效率，增加了出现质量问题的风险。

随着飞行器飞行速度的增加，飞行器质量对飞行器飞行具有较大的影响，鉴于过渡零件的引入增加了飞行器质量，目前过渡零件采用的功能结构独立设计的方式在空间和重量上的代价已成为制约型号武器研制的重要因素，结构轻量化设计迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于设备安装转接件的结构拓扑优化设计方法，该方法可在设计阶段预先对设备安装转接件进行拓扑优化，在满足产品功能/性能要求前提下实现产品设计轻量化。

本发明实现上述目的采用的技术方案如下：

一种应用于设备安装转接件的结构拓扑优化设计方法，包括如下步骤：

S1、根据需安装设备及舱体结构形式设计转接件结构形式；

S2、对转接件进行有限元分析，获得转接件强度、刚度、模态性能及设备安装所需其他性能，确定转接件连接处强度、刚度不小于设计裕度后进行拓扑优化设计；

存储转接件表面网格点坐标值ain_ij与aout_ij，ain_ij为转接件内侧表面特征上网格点坐标值，aout_ij为转接件零件外侧表面特征上网格点坐标值；

S3、设定转接件设计区域与非设计区域，以步骤S2中强度、刚度、模态性能及设备安装所需其他性能要求作为约束条件，得到优化后转接件结构形式；

S4、提取优化后转接件内侧表面、外侧表面特征上网格点坐标值bin_ij与bout_ij，根据转接件厚度优化算法f(h)，调整厚度变化比阈值t_h，设计多种结构方案；

H_ij＝|ain_ij-aout_ij|

S5、对设计的多种结构转接件进行有限元分析，对比分析转接件优化前后强度、刚度性能，选取较优转接件结构；

S6、采用增材制造方法制造转接件。

进一步地，所述非设计区域为转接件边界及连接处特征法向有材料一侧厚度为h的区域。

进一步地，所述厚度h为3mm≤h≤5mm。

进一步地，所述步骤S2中设计裕度S_m≥3。

进一步地，所述步骤S5中选取较优转接件结构要求连接处强度、刚度设计裕度S_m＞1.3。

进一步地，所述步骤S5中，选取的较优转接件结构满足以下约束：

其中，r_m为质量变化量，

M_o为优化前转接件质量，M_n为优化后转接件质量，r_s1为强度剩余裕度

r_s1n为优化后转接件可承受最大抗拉强度，r_s1o为材料抗拉强度理论值，r_s2为刚度变化量，

r_s2n为优化后转接件最大变形量，r_s2o为转接件设计可允许最大变形量。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明以设备安装转接件所满足强度、刚度或其他性能指标为约束，以结构件轻量化为目标，采用拓扑优化方法，实现设备安装转接件在满足使用要求的条件下轻量化，同时采用增材制造方法制造设备安装转接件，缩短零件制造周期，提高生产效率。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种应用于设备安装转接件的结构拓扑优化设计方法的流程图；

图2为本发明具体实施例提供的一种设备安装转接件的优化结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明提出一种应用于设备安装转接件的结构拓扑优化设计方法，该方法将拓扑优化技术应用于设备安装转接件结构设计过程中，优化设备安装转接件结构形式，在满足零件应用所需强度与刚度性能要求下实现零件轻量化设计，同时采用增材制造技术实现零件结构一体化成型，提高零件结构设计与制造效率。

拓扑优化技术不仅可实现在一定的输入条件下对结构尺寸进行优化，同时还可对结构内部形状进行优化，将强度校核与结构设计集成，通过设定指标可实现对过渡零件结构的量化，与传统结构设计方法对比，更具有指导性。增材制造技术不仅提高了产品制造效率，减少设计与制造之间的环节，缩短了产品制造周期，同时为实现结构轻量化提供有利条件。

如图1所示，一种应用于设备安装转接件的结构拓扑优化设计方法，包括如下步骤：

S1：转接件结构设计

根据需安装设备及舱体结构形式设计转接件结构形式，转接件应具有结构简单、便于安装等特点；

S2：转接件有限元分析

对转接件进行有限元分析，分析其强度、刚度、模态性能及设备安装所需其他性能等，确定转接件连接处强度、刚度不小于设计裕度S_m后进行拓扑优化设计，一般S_m≥3。

存储转接件表面网格点坐标值ain_ij与aout_ij，ain_ij为转接件内侧表面特征上网格点坐标值，aout_ij为转接件外侧表面特征上网格点坐标值，ij为第i行第j列的网格点。

S3：转接件拓扑优化设计

在拓扑优化软件中，对S1步骤中设计的转接件进行结构形状拓扑优化设计：选定转接件边界与转接件连接处，定义转接件边界及连接处特征法向有材料一侧厚度为h的区域为非设计区域，其他为设计区域，识别转接件设计区域与非设计区域，按照步骤S2中获得的强度、刚度、模态性能及设备安装所需其他性能要求作为约束条件，得到优化后转接件结构形式。

本实施例中，根据所安装设备设定厚度h满足3mm≤h≤5mm，即满足厚度要求的区域为非设计区域，不满足要求的为设计区域。

S4：优化后转接件进行规则化结构设计

以S3步骤中优化转接件为参考，重新设计转接件结构：提取优化后转接件内侧表面、外侧表面特征上网格点坐标值bin_ij与bout_ij，优化后无材料节点bin_ij与bout_ij数值设为0，实现ain_ij、aout_ij与bin_ij、bout_ij的一一对应。设计转接件厚度优化算法f(h)，设定厚度变化比阈值t_h，通过调整t_h数值可设计多种结构方案。厚度优化算法f(h)如下：

其中，H_ij为拓扑优化前网格点所处位置对应厚度，H_ij＝|ain_ij-aout_ij|，一般0.4≤t_h≤0.6。

S5：优化前后有限元分析结果对比

采用与S2步骤中相同的有限元分析流程，对S4步骤中多种优化后的转接件进行有限元分析，对比分析转接件优化前后强度、刚度等性能，评估优化后转接件结构是否满足使用要求，选取一种较优转接件结构，应保证优化后连接处强度、刚度设计裕度S_m＞1.3。

S6：采用增材制造方法制造转接件

选用合适的增材制造方法、材料、工艺参数等，制造优化后转接件，必要时可增加支撑，后续需对制造后转接件进行试验验证，验证方法可靠性及成熟度。

步骤S2在进行有限元分析时，分析剩余强度系数或所关心其他关键性能指标安全系数大于设计裕度S_m时进行拓扑优化设计。

步骤S3中，选取合适的拓扑优化软件，基于一定的拓扑优化方法，针对设备安装转接件进行拓扑优化结构设计，包括尺寸优化、形状优化、拓扑与布局优化等。

步骤S5中进行有限元分析时，针对存在的多个优化后转接件结构，逐一进行有限元分析，统计分析结构件质量变化量r_m、强度剩余裕度r_s1与刚度变化量r_s2等，平衡各结构件质量变化与强度和刚度变化，满足以下约束：

其中，质量变化量

M_o为优化前转接件质量，M_n为优化后转接件质量；强度剩余裕度

r_s1n为优化后转接件可承受最大抗拉强度，r_s1o为材料抗拉强度理论值；刚度变化量

r_s2n为优化后转接件最大变形量，r_s2o为转接件设计可允许最大变形量。在满足上述约束条件的同时，选取较优转接件结构形式。

下面以一个具体实施例进行详细说明：

本发明实施例，根据设备或传感器安装接口及舱体形式，设计设备安装转接件结构，如图2中所示原零件结构为某设备安装对应的设备安装转接件。

在ANSYS软件中选取Shape Optimization模块进行拓扑优化设计，设定边界条件与约束状态，得到图2中拓扑优化后零件结构形状。根据拓扑优化后零件结构，调整t_h值设计多种改进后转接件结构，如图2所示，设计出四种改进后转接件结构。

分别以四种改进后转接件结构为输入，进行有限元分析，分析流程网格划分、零件材料、边界条件等与以原转接件结构为输入的有限元分析过程相同，对比分析改进后转接件有限元分析结果与原转接件有限元分析结果，记录改进后转接件零件质量变化、强度/刚度变化以及其他所关注关键性能指标变化，评估各指标对转接件影响程度，选取较优方案，实现转接件轻量化设计。

本发明提出一种针对设备安装转接件的拓扑优化设计方法，在设计阶段预先对设备安装转接件进行拓扑优化及有限元分析，以量化指标为指导，实现设备安装转接件轻量化设计。本发明采用增材制造方法，实现设备安装转接件一体化成型，提高零件制造效率，缩短零件制造周期，在满足零件功能/性能要求前提下，降低产品成本，提高产品性能，同时该方法可延伸至其他零件结构轻量化设计过程中，具有广泛的应用性。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种应用于设备安装转接件的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据需安装设备及舱体结构形式设计转接件结构形式；

S2、对转接件进行有限元分析，获得转接件强度、刚度、模态性能及设备安装所需其他性能，确定转接件连接处强度、刚度不小于设计裕度后进行拓扑优化设计；

存储转接件表面网格点坐标值ain_ij与aout_ij，ain_ij为转接件内侧表面特征上网格点坐标值，aout_ij为转接件零件外侧表面特征上网格点坐标值；

S3、设定转接件设计区域与非设计区域，以步骤S2中强度、刚度、模态性能及设备安装所需其他性能要求作为约束条件，得到优化后转接件结构形式；

S4、提取优化后转接件内侧表面、外侧表面特征上网格点坐标值bin_ij与bout_ij，根据转接件厚度优化算法f(h)，调整厚度变化比阈值t_h，设计多种结构方案；

H_ij＝|ain_ij-aout_ij|

S5、对设计的多种结构转接件进行有限元分析，对比分析转接件优化前后强度、刚度性能，选取较优转接件结构；

S6、采用增材制造方法制造转接件。

2.根据权利要求1所述的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述非设计区域为转接件边界及连接处特征法向有材料一侧厚度为h的区域。

3.根据权利要求2所述的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述厚度h为3mm≤h≤5mm。

4.根据权利要求1所述的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中设计裕度S_m≥3。

5.根据权利要求4所述的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤S5中选取较优转接件结构要求连接处强度、刚度设计裕度S_m＞1.3。

6.根据权利要求5所述的结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，选取的较优转接件结构满足以下约束：

其中，r_m为质量变化量，r_s1为强度剩余裕度，r_s2为刚度变化量。

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