搜索案例-基于HyperWorks的艙門機構(gòu)多體動力學(xué)分析和優(yōu)化-復(fù)合材料
2016-11-22 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1 概述
艙門機構(gòu)是由多個物體構(gòu)件通過運動副連接組成的復(fù)雜機械系統(tǒng),目前國內(nèi)外先進(jìn)飛機設(shè)計公司對艙門機構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化改進(jìn),均采用建立艙門機構(gòu)多體動力學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和優(yōu)化。本文闡明了運用CAE軟件HyperWorks對艙門機構(gòu)多體動力學(xué)分析和優(yōu)化的流程和方法,包括在前處理模塊中MotionView或Hepermesh建立艙門機構(gòu)的多體系統(tǒng)動力學(xué)模型,利用求解器模塊MotionSolve求解。然后在后處理模塊HyperView和HyperGraph中分析結(jié)果,將仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)對標(biāo)后,再細(xì)化修改模型,使模型與實際機構(gòu)相符。最后在模塊HyperStudy中對艙門機構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)級優(yōu)化(如機構(gòu)交點位置、構(gòu)件運動軌跡等),提升機構(gòu)總體性能;在模塊OptiStruct中進(jìn)行零件級優(yōu)化(如拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化),實現(xiàn)輕量化設(shè)計。
2 建立多體動力學(xué)剛體模型
建立多體動力學(xué)模型,首先應(yīng)在CAD軟件中整理艙門機構(gòu)模型,包括將沒有相對運動的物體組成運動體,并以運動體為單元附之材料屬性,測量每個運動體的質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)以及質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量。準(zhǔn)備好機構(gòu)中液壓作動筒或氣彈簧的驅(qū)動力數(shù)據(jù)曲線,機構(gòu)中彈簧按設(shè)計圖紙計算出剛度系數(shù)并根據(jù)彈簧初始安裝角度或壓縮長度得到彈簧預(yù)載荷。
2.1 前處理模塊MotionView中建立多體動力學(xué)剛體模型
按照艙門機構(gòu)原理,劃分模型子系統(tǒng),在各個子系統(tǒng)中建立構(gòu)件,構(gòu)件的質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)以及質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量按Catia軟件測量數(shù)據(jù)輸入,輸入構(gòu)件外形后建立構(gòu)件之間的運動副、彈簧、接觸等。此外剛體模型中要考慮構(gòu)件之間的摩擦力和力矩,摩擦力和力矩通過子系統(tǒng)的方式創(chuàng)建,在子系統(tǒng)中設(shè)置靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)、動靜摩擦轉(zhuǎn)化速度和摩擦力作用半徑等參數(shù)。再將各個子系統(tǒng)連接一起組成整個剛體多體動力學(xué)模型,定義驅(qū)動約束。圖1是某型機貨艙門模型子系統(tǒng)組成,圖2是某型機貨艙門剛體多體動力學(xué)模型以及驅(qū)動約束。
圖1 貨艙門模型子系統(tǒng)組成
圖2 貨艙門剛體多體動力學(xué)模型以及驅(qū)動約束
2.2 前處理模塊HyperMesh中建立多體動力學(xué)剛體模型
在前處理模塊HyperMesh可以建立比較簡單的機構(gòu)多體動力學(xué)剛體模型,一般取艙門機構(gòu)的某個子系統(tǒng),為后面在模塊OptiStruct中進(jìn)行零件級優(yōu)化(如拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化),實現(xiàn)輕量化設(shè)計,打下基礎(chǔ)。
首先將機構(gòu)Catia模型輸入到HyperMesh中,并建立零件有限元模型,賦予材料屬性;
在HyperMesh中Analaysis頁面Body面板下創(chuàng)建剛體,Body面板如圖3所示;在HyperMesh中1D頁面Joint面板下建立剛體之間的運動副,Joint面板如圖4所示;
在HyperMesh中Analaysis頁面Constriants面板下創(chuàng)建移動或轉(zhuǎn)動驅(qū)動,約束載荷類型選擇MOTNG(V)如圖5所示;在HyperMesh中Analaysis頁面Laodsteps面板下創(chuàng)建工況,類型選擇Muti-body-dynamics,工況由驅(qū)動和約束組成如圖6所示。
遞交Radioss求解,當(dāng)模型中運動副、襯套和驅(qū)動等多體動力學(xué)元素被掃描出時,自動轉(zhuǎn)為MotionSolve求解。
圖3 Body面板
圖4 Joint面板
圖5 驅(qū)動面板
圖6 工況面板
3 建立多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/strong>
剛體多體動力學(xué)模型將運動機構(gòu)假定為沒有變形的剛性體,由此得到的結(jié)果將無法反映實際系統(tǒng)的性能。在分析過程中需要考慮到構(gòu)件的柔性變形,最大程度地模擬機構(gòu)在實際工作
中的狀態(tài)。因此需要從機構(gòu)中選擇一些主要受力構(gòu)件建立柔性體替換原剛體多體動力學(xué)模型中的剛性體,建立剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型進(jìn)行仿真,更好地了解系統(tǒng)性能。剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)仿真能夠反映構(gòu)件在運動過程中的瞬態(tài)變形,在載荷預(yù)測場合獲得更精確的結(jié)果。能夠反映柔性體的應(yīng)力和應(yīng)變分布,不僅能夠為機械系統(tǒng)設(shè)計提供系統(tǒng)性能分析,而且能為后續(xù)的構(gòu)件強度校核以及耐久性分析提供載荷預(yù)測數(shù)據(jù)。
建立柔性體應(yīng)首先在Hypermesh中建立部件的有限元模型,所有單元附上對應(yīng)的材料和屬性,部件和連接點之間采用RBE2單元,并對連接點的id重新編號。針對柔性體建立的有限元模型原則是艙門門體離散為二維板殼單元,機構(gòu)零件離散為六面體單元,螺栓簡化為剛體單元,機構(gòu)連接處也簡化為剛體單元。圖7是某型機登機門和機構(gòu)的柔性體有限元模型。
圖7 登機門柔性體有限元模型
3.1 前處理模塊MotionView中建立多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/strong>
在MotionView中建立多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ褪紫纫⑷嵝泽w,然后在艙門機構(gòu)多體動力學(xué)剛體模型中用柔性體零件替換部分剛體零件,組成多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?
3.1.1 建立前處理模塊MotionView的柔性體
MotionView中柔性體是由包含構(gòu)件模態(tài)信息的格式H3D文件描述的。構(gòu)件的模態(tài)是構(gòu)件自身的固有屬性。應(yīng)用結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合技術(shù)(CMS)將構(gòu)件彈性體的有限元模型縮減到由界面自由度與一系列正則模態(tài)構(gòu)成的用于多體動力學(xué)分析的柔性體。創(chuàng)建MotionView柔性體有兩種途徑:
一種是在MotionView中菜單FlexTools下點擊Flex Prep可以生成物體的柔性體H3D文件,如圖8所示:
圖8 生成柔性體面板
另一種是在在HyperMesh選擇用戶配置文件為OptiStruct,對已建好的有限元模型,先定義兩個Load collector,一個是CMSMETH卡片:定義模態(tài)綜合法如圖9所示,另一個是Constrain卡片,將load type中的constraint類型改為ASET,選擇界面點進(jìn)行超單元邊界自由度約束,如圖10所示。然后再定義四個控制卡片,分別是在Analysis頁面下的Control Cards中Global_Case_Control、DTI_UNITS、GLOBAL_OUTPUT_REQUEST、OUTPUT,如圖11所示。遞交Radioss求解,生成柔性體H3D文件。
圖9 定義CMS卡片
圖10 定義constraint卡片
圖11 定義4個控制卡片
3.1.2 前處理模塊MotionView中柔性體替換剛性體
在MotionView要替換柔性體Body面板中,點擊Defomable,選擇柔性體文件,導(dǎo)入柔性體文件,如圖12所示。
圖12 剛?cè)崽鎿Q面板
點擊圖12上Nodes,在Nodes面板中查看柔性體的界面點和外界物體鉸接點的對應(yīng)情況,如果兩者之間的距離不在誤差允許的范圍之內(nèi),按照實際情況修改。如圖13所示。
圖13 界面點對齊面板
點擊圖12上Modes,選擇柔性體所采用的模態(tài),前六階為剛性模態(tài),在建立柔性體模型時一般不勾選,同時可以修改每階模態(tài)對應(yīng)的阻尼系數(shù)。如圖14所示。
圖14 選擇模態(tài)阻尼面板
經(jīng)以上步驟,將所有需要剛?cè)崽鎿Q的構(gòu)件完成后,可以進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡娣治觥?/span>
3.2 前處理模塊HeperMesh中建立多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/strong>
在前處理模塊HyperMesh建立機構(gòu)多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ捅容^簡單,只需在Analaysis頁面Bodies面板下將剛性體改為柔性體(由PRBODY改為PFBODY),并設(shè)置模態(tài)即可。如圖15所示。
圖15 剛性體改為柔性體
4 多體動力學(xué)模型對標(biāo)
選擇試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比,調(diào)整模型參數(shù)(如摩擦力)使仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相符。對于艙門機構(gòu)一般選擇內(nèi)外手柄開關(guān)力作為調(diào)整驗證模型的標(biāo)準(zhǔn)。圖16是調(diào)整后的某型機登機門多體動力學(xué)模型內(nèi)外手柄開關(guān)最大力矩仿真結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)的對比。
圖16登機門多體動力學(xué)模型內(nèi)外手柄開關(guān)最大力矩仿真結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)的對比由上圖可以看出,4中力矩值與試驗數(shù)據(jù)基本相似,除外手柄關(guān)閉力矩值誤差為18%外,其余誤差均保證在10%之內(nèi)。
圖16 實際試驗數(shù)據(jù)的對比
5 優(yōu)化設(shè)計
獲得合理的仿真模型后,可測試初始設(shè)計方案是否達(dá)到設(shè)計要求,對于沒有滿足設(shè)計要求的機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。機構(gòu)優(yōu)化分為零件優(yōu)化和系統(tǒng)優(yōu)化,零件優(yōu)化運用OptiStruct求解,系統(tǒng)優(yōu)化運用MotionSolve和Hypstudy聯(lián)合求解。
5.1 運用MotionSolve和Hypstudy聯(lián)合求解機構(gòu)系統(tǒng)級優(yōu)化
運用MotionSolve和HyperStudy聯(lián)合求解系統(tǒng)級響應(yīng)優(yōu)化,是通過構(gòu)建自適應(yīng)面來尋求最優(yōu)值,基于響應(yīng)面的優(yōu)化不能處理包含大規(guī)模設(shè)計變量的優(yōu)化問題。但可以支持柔性體和剛性體的形狀變化,并保證形狀變化不會破壞系統(tǒng)原始的運動副約束關(guān)系。因此可以將機構(gòu)中的交點坐標(biāo)定義設(shè)計變量,提取系統(tǒng)中構(gòu)件的位移、速度、加速度和運動副約束力的極值作為響應(yīng),并定義成為目標(biāo)和約束函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
工作原理是在HyperStudy導(dǎo)向式架構(gòu)第一階段Study setup(定義模型)中加入MotionView中的多體動力學(xué)模型,并從模型中選取機構(gòu)交點坐標(biāo)為自變量,借用MotionSolve求解,提取初始結(jié)果創(chuàng)建響應(yīng)完成模型定義。然后按照HyperStudy導(dǎo)向式架構(gòu)建立近似模型(Approximation)和優(yōu)化分析(Optimization)必要時進(jìn)行隨機性研究(Stochastic)。圖17是某型機側(cè)開門的鎖定機構(gòu),通過改變直角拉桿的上下交點位置,希望降低直角拉桿上應(yīng)力水平,同時保證導(dǎo)引鎖旋轉(zhuǎn)角度不變。
圖17 側(cè)開門的鎖定機構(gòu)
優(yōu)化結(jié)束后在后處理模塊/Hypergraph中查看目標(biāo)和約束以及電機輸出轉(zhuǎn)矩優(yōu)化前后的對比情況如圖18、圖19和圖20所示。
圖18 目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化前后對比
圖19 約束函數(shù)優(yōu)化前后對比
圖20 電機輸出轉(zhuǎn)矩優(yōu)化前后對比
上述結(jié)果表明:直角拉桿受力的最大值從4129.3N降到2697.6N,大幅降低了直角拉桿的受力。優(yōu)化前后交點的變化不會影響導(dǎo)引鎖的工作要求,而且電機動力輸出轉(zhuǎn)矩大幅下降。優(yōu)化在滿足約束條件的情況下,達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)要求,提高了機構(gòu)系統(tǒng)的性能。
5.2 運用OptiStruc機構(gòu)零件優(yōu)化
機構(gòu)零件優(yōu)化應(yīng)用等效靜態(tài)載荷技術(shù),當(dāng)結(jié)構(gòu)承受動態(tài)載荷時,在某一時刻結(jié)構(gòu)都發(fā)生變形從而形成一個位移場,如果一個靜態(tài)載荷能夠產(chǎn)生相同的位移場,則稱該靜態(tài)載荷為這一動態(tài)載荷在某一時刻的等效靜態(tài)載荷。在OptiStruc中,將整個運動歷程時域[0,T]離散成q個時間點,由此獲得的等效靜態(tài)載荷數(shù)量也為q,進(jìn)行等效靜態(tài)響應(yīng)分析的工況也是q,轉(zhuǎn)變成OptiStruc中的q個靜態(tài)工況下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題?？梢詫崿F(xiàn)多體系統(tǒng)中柔性體的拓?fù)鋬?yōu)化,尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化等。多體優(yōu)化模型的定義與傳統(tǒng)靜力優(yōu)化模型的定義類似。
在HyperMesh建立機構(gòu)多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ秃?遞交Radioss求解,當(dāng)模型中運動副、襯套和驅(qū)動等多體動力學(xué)元素被掃描出時,自動轉(zhuǎn)為MotionSolve求解。多體動力學(xué)結(jié)果分析正確后,返回HyperMesh中在Optimization面板下選擇優(yōu)化種類,定義設(shè)計變量、響應(yīng)、目標(biāo)、約束。最后遞交OptiStruct求解,完成優(yōu)化。
圖20和圖21表示了運用OptiStruc機構(gòu)優(yōu)化,拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化的結(jié)果。
圖21 OptiStruc機構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果
圖22 OptiStruc機構(gòu)形狀優(yōu)化結(jié)果
6 總結(jié)
綜上所述,應(yīng)用HyperWorks軟件進(jìn)行艙門機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的流程見圖22。通過對機構(gòu)剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)分析,可以確定初始設(shè)計方案是否達(dá)到設(shè)計要求,如機構(gòu)運動軌跡是否合理,運動構(gòu)件是否產(chǎn)生干涉、速度和加速度性能是否滿足設(shè)計要求等。在此基礎(chǔ)上對艙門機構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)級和零件級優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計以實現(xiàn)最優(yōu)性能,如動力輸入最小,系統(tǒng)重量最輕,系統(tǒng)所占空間最小等。通過仿真驅(qū)動設(shè)計理念,不但為產(chǎn)品設(shè)計提供指導(dǎo),還可以激發(fā)靈感,實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。
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