利用Pro/MECHANICA實(shí)現(xiàn)活塞式壓縮機(jī)零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

發(fā)布于：02-11

呂顥¹??晏剛²



(1、開封空分集團(tuán)有限公司?開封475002；



2、西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院制冷與低溫工程系西安710049)



摘要：本文以活塞式壓縮機(jī)的重要零件——連桿為例，介紹了利用Pro/MECHANICA進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和具體過程。



關(guān)鍵詞：優(yōu)化設(shè)計(jì)?Pro/MECHANICA??活塞式壓縮機(jī)



1?概述



優(yōu)化設(shè)計(jì)就是搜索滿足給定約束條件下的目標(biāo)函數(shù)的極值。如要求零件在滿足不超過許用應(yīng)力的條件下，其質(zhì)量最輕。類似的優(yōu)化問題，在機(jī)械設(shè)計(jì)中大量存在。在優(yōu)化設(shè)計(jì)前，需要對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行篩選。通過篩選，確定對優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)影響最大的設(shè)計(jì)參數(shù)。



在傳統(tǒng)設(shè)汁方法中，要想了解某一尺寸對零件強(qiáng)度的影響，只能分別對該尺寸的每一次變化進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，得出取不同尺寸時(shí)零件內(nèi)的應(yīng)力值，然后對結(jié)果進(jìn)行分析比較，從而得出應(yīng)力受參數(shù)影響的變化關(guān)系。但重復(fù)計(jì)算零件應(yīng)力工作量是十分巨大的，將耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間。



敏感度分析可以完成參數(shù)篩選工作，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。利用Pro/MECHANICA的敏感度分析和優(yōu)化研究工具，可以由軟件分析最大應(yīng)力與不同的設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系，找到對最大應(yīng)力影響最大的變量，并確定變量的變化范圍。然后建立優(yōu)化研究，利用軟件找到在滿足一定約束條件(例如最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力)的前提下，使目標(biāo)函數(shù)取得極值(通常是零件質(zhì)量最小)的設(shè)計(jì)變量。整個(gè)優(yōu)化過程都由計(jì)算機(jī)來完成，并且由于Pro/MECHANICA是完全集成在Pro/ENGINEER環(huán)境中的，因此可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果直接對零件模型進(jìn)行升級，從而大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，這是其他分析軟件所無法實(shí)現(xiàn)的。



2?壓縮機(jī)連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)



在壓縮機(jī)連桿的設(shè)計(jì)過程中，由于大頭的寬度和厚度均受到機(jī)器整體結(jié)構(gòu)尺寸的制約，故優(yōu)化主要是針對大頭高度進(jìn)行。實(shí)際工作遵循以下基本步驟：首先定義連桿大頭高度尺寸為設(shè)計(jì)參數(shù)，后面的優(yōu)化將針對該參數(shù)進(jìn)行；然后建立并運(yùn)行敏感度分析，確定連桿拉伸總應(yīng)力最大值受大頭高度影響的變化關(guān)系，從而確定優(yōu)化設(shè)計(jì)中參數(shù)的變化范圍；最后建立并運(yùn)行優(yōu)化研究，尋找能滿足零件質(zhì)量最小且最大總應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力的參數(shù)值，并由軟件自動對模型進(jìn)行升級。下面將介紹利用Pro/MECHANICA進(jìn)行連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作過程。



2.1?定義設(shè)計(jì)參數(shù)



選擇菜單管理器中“Structure│Model│Dsgn?Controls│Design?Params”命令，將參數(shù)類型設(shè)置為“Dimension(尺寸)”，在圖形窗口中選擇大頭高度尺寸(圖中尺寸120)，將其定義為設(shè)計(jì)參數(shù)。如圖1所示。







圖1?選擇大頭高度尺寸作為設(shè)計(jì)參數(shù)



為了方便識別，將此設(shè)計(jì)參數(shù)命名為“height-bigend”，并根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的限制，指定其變化范圍為120-150。



2.2?預(yù)覽零件尺寸變化



在敏感度分析的過程中，需要變動零件的結(jié)構(gòu)。如果設(shè)計(jì)參數(shù)的變化范圍設(shè)置不合理，會導(dǎo)致零件的再生失敗和分析過程的中止。因此，應(yīng)保證對于設(shè)計(jì)參數(shù)的變化范圍內(nèi)的每一個(gè)參數(shù)值，零件都能成功生成。在Pro/MECHANICA的敏感度分析中，提供兩種專門的工具分別以靜態(tài)和動態(tài)來觀察參數(shù)的變化過程。



(1)“Shape?Review”命令。每次由設(shè)計(jì)者在對話框中設(shè)置參數(shù)的值，系統(tǒng)會按照參數(shù)值生成給定尺寸的幾何模型。如果模型無法生成，系統(tǒng)也會給出提示。



(2)“Shape?Animate”命令，可以動態(tài)觀察參數(shù)變化對幾何模型的影響。設(shè)定參數(shù)的變化范圍以及變化間隔，單擊“Animate”按鈕，則零件從設(shè)計(jì)參數(shù)的最小值開始，以設(shè)定的間隔逐步生成模型。每次生成之前，都會詢問是否繼續(xù)。預(yù)覽所有參數(shù)，確認(rèn)模型生成無錯誤后，回到模型的原始尺寸。



利用“Shape?Animate”可以觀察到模型在設(shè)計(jì)參數(shù)的變化范圍內(nèi)逐步變化的效果，配合“Shape：Review”能夠直觀地了解模型是否存在問題，避免在敏感度分析和優(yōu)化分析中耗費(fèi)大量的時(shí)間。



2.3?建立并運(yùn)行全局敏感度分析



為了減輕優(yōu)化分析的工作量，加快優(yōu)化分析的計(jì)算過程，需要先利用全局敏感度分析找到模型最大總應(yīng)力與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的變化關(guān)系，從而為后面的優(yōu)化分析確定參數(shù)的變化范圍。



選擇菜單管理器“Analyses/Studies”命令，在彈出的“Analyses?and?Design?Studies”對話框中選擇“File│New?Design?Study”菜單命令，建立一個(gè)設(shè)計(jì)研究。在彈出的“Design?Study?Definition”對話框中，將分析類型設(shè)置為“Global?Sensitivitv”(全局敏感度)；“Analyses”項(xiàng)選擇應(yīng)力分析中定義的靜態(tài)分析“Stretch”，針對零件受拉伸的情況進(jìn)行全局敏感度分析；“Parameter”項(xiàng)選擇前面定義的設(shè)計(jì)參數(shù)"height-bigend”，并設(shè)定其變化范圍從參數(shù)的最小值到最大值，在其整個(gè)變化范圍內(nèi)進(jìn)行全局敏感度分析；“Number?of?Intervals”項(xiàng)設(shè)置分析時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化間隔數(shù)，這里可保留默認(rèn)值“5”。設(shè)置完成的“Design?Study?Definition”對話框如圖2所示。







圖2?設(shè)置完成的“Design?Study?Definition”對話框



設(shè)置完成后，開始運(yùn)行分析。分析運(yùn)行過程中，可以打開狀態(tài)顯示窗口進(jìn)行觀察。經(jīng)過約3小時(shí)的計(jì)算，分析完成。



2.4?獲取敏感度分析結(jié)果



為了便于觀察零件最大總應(yīng)力隨設(shè)計(jì)參數(shù)變化的情況，可以用曲線圖的形式表示出二者之間的關(guān)系。選擇菜單管理器"Results”命令，在彈出的對話框中新建結(jié)果顯示窗口，彈出“Result?Window?Definition”對話框，在此選擇前面完成的全局敏感度分析“Sensitivity”；顯示類型設(shè)置為“Graph(曲線圖)”；并將“Measure(測量)”項(xiàng)目設(shè)置為“max-stress-vm(模型最大總應(yīng)力)”，“Design?Var(設(shè)計(jì)參數(shù))”項(xiàng)指定為前面定義的參數(shù)“height-bigend'’。



設(shè)置完成后確認(rèn)，屏幕即顯示模型最大總應(yīng)力隨設(shè)計(jì)變量“height-bigend”而變化的關(guān)系曲線，如圖3所示。







圖3?模型最大總應(yīng)力與設(shè)計(jì)變量“height-bigend”之間的關(guān)系曲線



由圖可見，大頭高度從120開始增加時(shí)，最大總應(yīng)力隨之減小，在143附近達(dá)到極小值，此后又開始急劇上升。由此，可以確定優(yōu)化分析時(shí)設(shè)計(jì)變量的變化范圍，而不必對其從最小值到最大值的整個(gè)區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化，從而節(jié)約大量的時(shí)間和計(jì)算成本。



2.5?定義并運(yùn)行優(yōu)化分析



通過全局敏感度分析，確定了使模型最大總應(yīng)力取得極值的參數(shù)大致范圍后，就可以建立優(yōu)化分析，在此范圍內(nèi)尋找能滿足零件質(zhì)量最小且最大總應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力(60MPa)的設(shè)計(jì)參數(shù)值。



按照前面的方法新建一個(gè)設(shè)計(jì)研究。在“Design?Study?Definition”對話框中，將分析類型設(shè)置為“Optimization(優(yōu)化)”；接受默認(rèn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)“Total?Mass(總質(zhì)量)”最??；將“Limits?On?Measures”約束條件設(shè)置為“max-stress?vm<60”；并設(shè)置參數(shù)的最小值為l30，最大值為150，初始值為130，即要求Pro/MECHANICA從130開始，在130～150范圍內(nèi)對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。其余選項(xiàng)可保留默認(rèn)值。設(shè)置完成的對話框如圖4所示。







圖4?完成的優(yōu)化分析設(shè)置對話框



設(shè)置完成后，開始運(yùn)行分析。在分析運(yùn)行過程中，可以打開狀態(tài)顯示窗口了解分析運(yùn)行的狀態(tài)。如圖5所示。







圖5?分析運(yùn)行狀態(tài)顯示窗口



由分析狀態(tài)顯示窗口可以看到，經(jīng)過優(yōu)化分析，找到了滿足條件的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)：139.957。



2.6?對零件模型進(jìn)行升級



優(yōu)化分析完成后，就可以由Pro/MECHANICA自動對模型進(jìn)行升級。



選擇菜單管理器中的“Model｜Dsgn?Controls｜Optimize?Hist｜Search?Study”命令，選擇前面完成的優(yōu)化分析“Optimization”，系統(tǒng)按照優(yōu)化分析的過程逐步對模型進(jìn)行重新生成，直至達(dá)到優(yōu)化分析找到的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。狀態(tài)提示欄詢問是否將模型保持為優(yōu)化后的形狀，如圖6所示。







圖6?按照優(yōu)化分析結(jié)果升級連桿零件模型



回答確認(rèn)后，模型即保持在最佳參數(shù)狀態(tài)。由于Pro/MECHANICA與Pro/ENGINEER是完全無縫集成的。因此不必返回Pro/ENGINEER手動對模型進(jìn)行編輯，在Pro/MECHANICA中即完成了按照優(yōu)化分析結(jié)果對模型的升級。而且由于Pro/ENGINEER基于單一數(shù)據(jù)庫的全相關(guān)性，零



件的二維工程圖也會自動按照優(yōu)化后的模型進(jìn)行更改。



3?小結(jié)



通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在滿足零件強(qiáng)度、剛度等使用要求的條件下盡量減少材料消耗和加工成本。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中占有著越來越重要的地位。本文以活塞式壓縮機(jī)連桿為例，介紹了利用Pro/MECHANICA軟件進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由原來的驗(yàn)算變?yōu)榱苏嬲饬x上的設(shè)計(jì)過程。同時(shí)，使設(shè)計(jì)者從繁重而枯燥的手工計(jì)算中解脫出來，從而有更多的精力去關(guān)注產(chǎn)品的改進(jìn)和創(chuàng)新，并使設(shè)計(jì)效率得到了大幅度提高。



摘自09年1期《氣體分離》