单位文秘网 2021-08-31 09:01:39 点击: 次
摘要: 采用多学科优化平台Isight和参数高阶网格变形软件Sculptor对某型横向橡胶止挡进行结构形状优化设计.通过Sculptor进行参数化建模,通过Isight多目标优化算法NSGAII获得合理的形状参数.采用Abaqus进行有限元计算,结果表明改进后的止挡垂向静刚度满足设计要求,结构设计合理.
关键词: 橡胶止挡; 优化设计; 高阶网格变形; 有限元分析
中图分类号: U260.35;TB115.1文献标志码: B
引言
横向橡胶止挡位于轨道车辆二系悬挂系统中,用来缓冲车体与转向架之间的横向冲击和限制过大横向位移,为二系减振提供柔性平稳的平台,确保车辆运行的平稳舒适性.[13]某型横向橡胶止挡的主要结构见图1,是采用耐磨材料,橡胶和金属硫化为一体的整体构件.由于结构的垂向刚度需进一步完善,考虑止挡的结构特征和橡胶非线性材料的大变形收敛性能差的特点,采用多学科仿真优化平台Isight和网格变形软件Sculptor优化结构形状,避免常规优化过程中网格重划分及其导致的计算不收敛问题,达到快速设计出合理止挡结构的目的.
图 1横向橡胶止挡结构
1横向橡胶止挡垂向刚度分析
根据公司设计大纲,该型横向橡胶止挡有3点位移处的垂向刚度设计要求,见表1.
表 1三点位移处的垂向刚度设计要求位移/mm101721设计刚度/
(kN/mm)0.204~0.2760.425~0.5750.776~1.050
传统的产品设计和制造流程见图2.采用传统的设计制造流程,只有在完成样机制造后才能获知产品的刚度情况.若刚度不合格还需重新试制,对人力和物力造成较大浪费.
图 2传统的产品设计和制造
新的设计流程利用有限元软件进行虚拟样机设计,在“产品设计”与“样机制造”之间增加“样机模拟”环节,通过“样机模拟”方法在“样机制造”前对产品结构进行有效的模拟分析和充分论证,从而减少试制次数.
1.1建立有限元模型
由图1可知,横向橡胶止挡的结构和所承受的载荷都具有对称性,在求解垂向刚度时,可取1/4模型分析.建模时考虑到耐磨材料、橡胶材料和金属底座之间经过硫化工艺黏合在一起,二者之间黏合强度足够大,因此设定三者之间为“绑定”约束.同时,为提高分析效率,对底座进行简化,见图3.为使模型具有更好的分析精度,采用六面体网格进行分析,模型的耐磨材料部分采用三维八节点单元C3D8单元模拟,橡胶部分采用三维8节点杂交单元C3D8H单元模拟,金属底座部分采用三维八节点减缩积分单元C3D8R单元模拟.模型共划分为8 426个单元.图 3横向橡胶止挡三维有限元模型
1.2橡胶超弹性模型
基于连续介质力学理论,橡胶弹性材料的变形可看成是各向同性的超弹性体的均匀变形,应变储能函数可用应变不变量的多项式函数表示.对于不可压缩物体,应变能表达式[4] 为
1.3加载和求解
根据实际工况施加垂向位移,利用Abaqus对其进行分析,得到不同位移下对应的垂向刚度值.
1.4分析结果
横向橡胶止挡原结构三点位移处的刚度结果与设计要求对比见表3,垂向刚度应力分析云图见图4.根据分析结果可知,原结构的垂向刚度远小于设计的刚度要求,不能满足设计要求.
2横向橡胶止挡的结构优化
Sculptor是目前世界上唯一的基于均匀B样条技术的网格变形和形状优化工具,能够帮助仿真和优化工程师在不借助CAE重新建模的情况下,产生各种变形方案进行CAE评估和优化,省去耗时和易错的CAD建模/CAE网格重新划分的时间,提高产品研制效率和研制水平.
只需要变化局部区域的网格,无须重新划分网格,大大节省划网格的时间,保证网格质量,适合大规模仿真问题.
灵活自由的网格变形和几何修形功能:在原有的CAD模型或CAE网格上增加笛卡尔坐标或柱坐标ASD控制体,通过缩放、旋转和平移控制点的位置.精确地控制局部区域的几何外形:几何的局部变化不会影响到其他位置,更好地捕捉设计人员的意图.变形后网格边界曲率导数连续:更好地控制网格质量,特别是附面层、流动敏感区域的几何外形,可达到3阶光滑.
结构和流体网格共享同一套变形参数:适合进行流固耦合相关的设计优化问题.
2.1优化方案
采用Isight,Sculptor和Abaqus集成自动化方式实现横向橡胶止挡参数化优化.先采用Sculptor参数化网格模型,然后导入Abaqus对产品进行结构分析,导出支反力和位移等场变量,再通过计算器组件计算刚度,最后传递给Isight进行试验方案设计.具体流程见图5.设计变量包括底座尺寸、橡胶外缘形状和橡胶底部形状等7个变量,见图6.约束应力低于材料的屈服强度.目标为3点位移处的垂向刚度分别达到设计要求.
2.2优化后分析结果
从不满足所有刚度要求(违反约束达50%)的初始方案开始,最终优化方案保证3个刚度完全满足要求.
经过1 000次NCGAII计算后,得到可行性解集,3项刚度值都满足设计要求.其可行解集见图8.横向橡胶止挡优化前后的各项刚度值见图9,可知,优化后方案已经完全满足要求,可使用该设计方案直接进行样机制造.横向橡胶止挡优化前后的结构见图10.
3结束语
本文基于Sculptor高阶网格变形软件,结合多学科优化平台Isight进行横向橡胶止挡结构优化分析,提出一种基于网格变形的对横向橡胶止挡结构优化的创新方案.该方案不仅能有效提高结构的刚度性能,而且能够大量节省产品开发时间,具有实际应用价值.
参考文献:
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