优化机约束设备装置撬杠的设计方法

　　这篇工业设计论文发表了机约束装置撬杠的优化设计方法，如何才能得到撬杠的最优模型呢?论文通过借鉴以往设计撬杠的基础上，通过ANSYS软件对其进行参数化建模，经理论分析得出影响其使用性能的主要参数，然后通过一系列的优化分析计算，得出最优撬杠，为今后的结构设计提供理论依据。

　　关键词：工业设计论文,参数化建模,优化设计,最优模型

　　引言

　　在飞机载荷校准试验时须研制支持与约束装置，用于试验机停放时对飞机的支持及加载时对飞机的约束。而撬杠就是约束装置中的最重要组成部分。在约束装置中，约束结构的安全性能直接决定着试验的安全性。而撬杠安全性能直接决定约束装置的安全性能，所以撬杠设计的安全是重中之重。约束装置中，撬杠主要作用为：1)转换受力方向。将机轮上不方便(空间的原因)施加的向上约束转换为向下约束。2)主要承力件、连接件。撬杠将约束装置连接成一个整体，并且为主要承力部件。以往的约束装置中，撬杠承载能力较小。但针对某型机所设计的约束装置，撬杠承载能力是以前的几倍。同时，由于飞机安装空间狭小，周围还有其他的加载台架。面对如此大的载荷以及狭小的空间，如何有效、安全地设计撬杠结构是该装置设计的重点和难点。

　　1撬杠参数化模型

　　在以往所设计撬杠的基础上。设计一新撬杠，并对撬杠采用ANSYS参数化建模，建模后撬杠三维模型如图1所示，其外形尺寸为3020mm(长)×410mm(宽)×580mm(高)，小端高度为225mm，采用“Ⅱ”字型截面结构，考虑到其承力特点，撬杠采用枣核形设计，由Q345板料焊接而成。

　　2优化设计概论

　　所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出(如重量、体积、应力、费用等)最小。即最优设计方案也可理解为一个最有效的方案。ANSYS提供了两种优化的方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题：1)零阶方法。是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。2)一阶方法。基于目标函数对设计变量的敏感度，因此更加适合精准的优化分析。对于这两种方法，ANSYS提供了一系列的分析→评估→修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果进行评估，然后修正设计。这以循环过程重复进行到所有的设计要求都满足为止。

　　3撬杠优化设计及试验验证

　　3.1撬杠优化设计针对撬杠的优化设计，主要采用一阶方法进行优化分析。优化分析前，首先要确定主要影响其性能的几个参数，其参数标准图如图2所示。撬杠在工作时，主要绕中间孔轴线发生转动。两端的孔为施力孔与固定孔。因此撬杠主要受垂直向下的弯应力。因此影响其性能的主要参数有：撬杠小端高度H1,撬杠中端高度H2,撬杠板厚t1以及撬杠长度L3。由于约束装置安装关系原因，其长度L3为固定值。其他3个值为变量值。撬杠初步设计的外形参数为：撬杠小端高度H1=225mm;撬杠中端高度H2=580mm;撬杠板厚t1=50mm，撬杠长度L3=3020mm。其平面示意图如图2所示。根据实际工作情况，撬杠的受力情况以及约束状态如图3所示。并定义撬杠的材料为Q345钢，其弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3。经ANSYS优化分析，其优化分析点布置如图4所示。根据选用的材料，以及设计要求。撬杠的容许许用应力[σb]=345÷3=115MPa。然后对照图4，得到序号2-7的参数满足设计要求。在此基础上，考虑安装空间、经济费用等要求，也即尺寸越小越好。通过比较得到序号7的为最优值。其参数为：撬杠小端高度H1=90mm;撬杠中端高度H2=250mm;撬杠板厚t=50mm;撬杠长度L3=3020mm。3.2优化结果对比撬杠优化设计前后，其参数对照如表1所示。通过表1可以得出，撬杠在经优化计算后，其中、小端高度均大幅度减小，减小安装空间;同时重量也减轻11.42%。其优点有以下几方面：1)撬杠重量减小，减少了材料损耗，减少加工费用。2)方便安装、运输。撬杠使用时，安装在飞机机身下边，为了飞机安全，移动、安装只能靠人工推动，减轻重量有利于运输、安装。3)撬杠中、小端高度均大幅度减小，更加有效地避免在安装时因空间不足造成的干涉。

　　4结语

　　基于ANSYS软件对撬杠进行参数化建模，并对参数化后的撬杠进行的优化设计。根据实际工作情况，将对其性能影响最大的参数设为目标参数进行输入，最终得到优化结果。优化后的撬杠结构在相同载荷作用下，其强度满足设计要求，并且撬杠结构达到了轻量化、精小化的目标。结果证明，基于ANSYS的结构优化设计在解决优化问题时的有效性，尤其在大型复杂结构的优化问题上具有其他算法无法替代的优势。

　　[参考文献]

　　[1]ANSYSWorkbench12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010:244-244.

　　作者：侯海军 彭冲 吴晓萍 单位：西安远方航空技术发展总公司

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