【案例分析】基于HyperWorks的艙門機構多體動力學分析和優(yōu)化

1 概述

艙門機構是由多個物體構件通過運動副連接組成的復雜機械系統(tǒng),目前國內外先進飛機設計公司對艙門機構設計及優(yōu)化改進,均采用建立艙門機構多體動力學模型,并在此基礎上進行分析和優(yōu)化。本文闡明了運用CAE軟件HyperWorks對艙門機構多體動力學分析和優(yōu)化的流程和方法,包括在前處理模塊中MotionView或Hepermesh建立艙門機構的多體系統(tǒng)動力學模型,利用求解器模塊MotionSolve求解。然后在后處理模塊HyperView和HyperGraph中分析結果,將仿真數據和試驗數據對標后,再細化修改模型,使模型與實際機構相符。最后在模塊HyperStudy中對艙門機構進行系統(tǒng)級優(yōu)化(如機構交點位置、構件運動軌跡等),提升機構總體性能;在模塊OptiStruct中進行零件級優(yōu)化(如拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化),實現輕量化設計。

2 建立多體動力學剛體模型

建立多體動力學模型,首先應在CAD軟件中整理艙門機構模型,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量、質心坐標以及質心轉動慣量。準備好機構中液壓作動筒或氣彈簧的驅動力數據曲線,機構中彈簧按設計圖紙計算出剛度系數并根據彈簧初始安裝角度或壓縮長度得到彈簧預載荷。

2.1 前處理模塊MotionView中建立多體動力學剛體模型

按照艙門機構原理,劃分模型子系統(tǒng),在各個子系統(tǒng)中建立構件,構件的質量、質心坐標以及質心轉動慣量按Catia軟件測量數據輸入,輸入構件外形后建立構件之間的運動副、彈簧、接觸等。此外剛體模型中要考慮構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)中設置靜摩擦系數、動摩擦系數、動靜摩擦轉化速度和摩擦力作用半徑等參數。再將各個子系統(tǒng)連接一起組成整個剛體多體動力學模型,定義驅動約束。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模型以及驅動約束。

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模型以及驅動約束

2.2 前處理模塊HyperMesh中建立多體動力學剛體模型

在前處理模塊HyperMesh可以建立比較簡單的機構多體動力學剛體模型,一般取艙門機構的某個子系統(tǒng),為后面在模塊OptiStruct中進行零件級優(yōu)化(如拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化),實現輕量化設計,打下基礎。

首先將機構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)建移動或轉動驅動,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,工況由驅動和約束組成如圖6所示。

遞交Radioss求解,當模型中運動副、襯套和驅動等多體動力學元素被掃描出時,自動轉為MotionSolve求解。

圖3 Body面板

圖4 Joint面板

圖5 驅動面板

圖6 工況面板

3 建立多體動力學剛柔耦合模型

剛體多體動力學模型將運動機構假定為沒有變形的剛性體,由此得到的結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件的柔性變形,最大程度地模擬機構在實際工作

中的狀態(tài)。因此需要從機構中選擇一些主要受力構件建立柔性體替換原剛體多體動力學模型中的剛性體,建立剛柔耦合多體動力學模型進行仿真,更好地了解系統(tǒng)性能。剛柔耦合多體動力學仿真能夠反映構件在運動過程中的瞬態(tài)變形,在載荷預測場合獲得更精確的結果。能夠反映柔性體的應力和應變分布,不僅能夠為機械系統(tǒng)設計提供系統(tǒng)性能分析,而且能為后續(xù)的構件強度校核以及耐久性分析提供載荷預測數據。

建立柔性體應首先在Hypermesh中建立部件的有限元模型,所有單元附上對應的材料和屬性,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,機構零件離散為六面體單元,螺栓簡化為剛體單元,機構連接處也簡化為剛體單元。圖7是某型機登機門和機構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中建立多體動力學剛柔耦合模型

在MotionView中建立多體動力學剛柔耦合模型首先要建立柔性體,然后在艙門機構多體動力學剛體模型中用柔性體零件替換部分剛體零件,組成多體動力學剛柔耦合模型。

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件模態(tài)信息的格式H3D文件描述的。構件的模態(tài)是構件自身的固有屬性。應用結構模態(tài)綜合技術(CMS)將構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)構成的用于多體動力學分析的柔性體。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,導入柔性體文件,如圖12所示。

圖12 剛柔替換面板

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情況,如果兩者之間的距離不在誤差允許的范圍之內,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)對應的阻尼系數。如圖14所示。

圖14 選擇模態(tài)阻尼面板

經以上步驟,將所有需要剛柔替換的構件完成后,可以進行剛柔耦合仿真分析。

3.2 前處理模塊HeperMesh中建立多體動力學剛柔耦合模型

在前處理模塊HyperMesh建立機構多體動力學剛柔耦合模型比較簡單,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 多體動力學模型對標

選擇試驗數據與仿真結果對比,調整模型參數(如摩擦力)使仿真結果與試驗數據相符。對于艙門機構一般選擇內外手柄開關力作為調整驗證模型的標準。圖16是調整后的某型機登機門多體動力學模型內外手柄開關最大力矩仿真結果與實際試驗數據的對比。

圖16登機門多體動力學模型內外手柄開關最大力矩仿真結果與實際試驗數據的對比由上圖可以看出,4中力矩值與試驗數據基本相似,除外手柄關閉力矩值誤差為18%外,其余誤差均保證在10%之內。

圖16 實際試驗數據的對比

5 優(yōu)化設計

獲得合理的仿真模型后,可測試初始設計方案是否達到設計要求,對于沒有滿足設計要求的機構進行優(yōu)化。機構優(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)合求解機構系統(tǒng)級優(yōu)化

運用MotionSolve和HyperStudy聯(lián)合求解系統(tǒng)級響應優(yōu)化,是通過構建自適應面來尋求最優(yōu)值,基于響應面的優(yōu)化不能處理包含大規(guī)模設計變量的優(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系。因此可以將機構中的交點坐標定義設計變量,提取系統(tǒng)中構件的位移、速度、加速度和運動副約束力的極值作為響應,并定義成為目標和約束函數進行優(yōu)化。

工作原理是在HyperStudy導向式架構第一階段Study setup(定義模型)中加入MotionView中的多體動力學模型,并從模型中選取機構交點坐標為自變量,借用MotionSolve求解,提取初始結果創(chuàng)建響應完成模型定義。然后按照HyperStudy導向式架構建立近似模型(Approximation)和優(yōu)化分析(Optimization)必要時進行隨機性研究(Stochastic)。圖17是某型機側開門的鎖定機構,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力水平,同時保證導引鎖旋轉角度不變。

圖17 側開門的鎖定機構

優(yōu)化結束后在后處理模塊/Hypergraph中查看目標和約束以及電機輸出轉矩優(yōu)化前后的對比情況如圖18、圖19和圖20所示。

圖18 目標函數優(yōu)化前后對比

圖19 約束函數優(yōu)化前后對比

圖20 電機輸出轉矩優(yōu)化前后對比

上述結果表明: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引鎖的工作要求,而且電機動力輸出轉矩大幅下降。優(yōu)化在滿足約束條件的情況下,達到了優(yōu)化目標要求,提高了機構系統(tǒng)的性能。

5.2 運用OptiStruc機構零件優(yōu)化

機構零件優(yōu)化應用等效靜態(tài)載荷技術,當結構承受動態(tài)載荷時,在某一時刻結構都發(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)載荷數量也為q,進行等效靜態(tài)響應分析的工況也是q,轉變成OptiStruc中的q個靜態(tài)工況下的結構優(yōu)化問題?？梢詫崿F多體系統(tǒng)中柔性體的拓撲優(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建立機構多體動力學剛柔耦合模型后,遞交Radioss求解,當模型中運動副、襯套和驅動等多體動力學元素被掃描出時,自動轉為MotionSolve求解。多體動力學結果分析正確后,返回HyperMesh中在Optimization面板下選擇優(yōu)化種類,定義設計變量、響應、目標、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機構優(yōu)化,拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化的結果。

圖21 OptiStruc機構拓撲優(yōu)化結果

圖22 OptiStruc機構形狀優(yōu)化結果

6 總結

綜上所述,應用HyperWorks軟件進行艙門機構優(yōu)化設計的流程見圖22。通過對機構剛柔耦合多體動力學分析,可以確定初始設計方案是否達到設計要求,如機構運動軌跡是否合理,運動構件是否產生干涉、速度和加速度性能是否滿足設計要求等。在此基礎上對艙門機構進行系統(tǒng)級和零件級優(yōu)化改進設計以實現最優(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。通過仿真驅動設計理念,不但為產品設計提供指導,還可以激發(fā)靈感,實現產品創(chuàng)新。

圖23 艙門機構優(yōu)化流程

來源:互聯(lián)網,作者:紀三紅 朱巖