基于cae動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機械工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]轉(zhuǎn)臺是一種重要的地面測試設(shè)備，用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性元件檢定、標定，以及模擬飛行器姿態(tài)運動。
[0003]由于轉(zhuǎn)臺的特殊地位和廣泛的市場需求而受到世界技術(shù)發(fā)達的國家和發(fā)展中國家的普遍重視，美國、俄羅斯、德國、法國、印度、中國、瑞士等國都在轉(zhuǎn)臺研制工作上投入了較大的人力和財力。目前我國與世界先進水平的差距主要表現(xiàn)在:(I)對于轉(zhuǎn)臺相關(guān)技術(shù)缺乏深入的研究，因而導(dǎo)致了研制轉(zhuǎn)臺的可靠性差，也沒有批量生產(chǎn)的能力；(2)轉(zhuǎn)臺臺體制造工藝及安裝方面有待提高。我國工業(yè)總體水平的差距限制了轉(zhuǎn)臺的技術(shù)性能。
[0004]目前轉(zhuǎn)臺研制中機械方面的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題:(I)轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)研究。目前結(jié)構(gòu)的設(shè)計很大程度上仍然取決于經(jīng)驗，而且結(jié)構(gòu)剛度將直接影響整個系統(tǒng)精度是否能夠保證，也直接影響到結(jié)構(gòu)諧振頻率能否進一步提高，特別是結(jié)構(gòu)諧振頻率，對提高轉(zhuǎn)臺的動態(tài)響應(yīng)至關(guān)重要。結(jié)構(gòu)采取什么樣的形式、框架的壁厚、框架內(nèi)部筋的布置、框架采用什么材料都有待進一步研究。(2)可靠性和穩(wěn)定性研究。從轉(zhuǎn)臺問世以來，不可靠、不穩(wěn)定性給用戶帶來諸多麻煩，又因轉(zhuǎn)臺的功能越來越復(fù)雜，精度越來越高，不穩(wěn)定不可靠就成為測試設(shè)備的一個重大隱患。模塊化、標準化、工程化則是解決這個問題的突破口。
[0005]隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，慣性元件和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度的不斷提高，作為其試驗平臺的精度及仿真環(huán)境也要不斷地提高。早年的仿真環(huán)境為實驗室靜態(tài)環(huán)境，現(xiàn)在則要求轉(zhuǎn)臺能夠提供振動環(huán)境，這就要求轉(zhuǎn)臺必須要有很好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性才可以在此基礎(chǔ)上提供相應(yīng)的振動。因此，必須對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的靜動態(tài)特性進行研究。
[0006]有限元法作為力學(xué)分析中的數(shù)值法，起源于航空工程中的矩陣分析，把一個連續(xù)的介質(zhì)看成是由有限數(shù)目的單元組成的集合體。簡言之，就是化整為零，積零為整的研究。有限元法是一種先進的，行之有效的方法，具有其他方法無法比擬的優(yōu)點，如節(jié)省投資、縮短研究周期等。
[0007]ANSYS公司是世界著名的CAE技術(shù)公司，是目前國際上最著名的大型通用有限元分析軟件，經(jīng)過30年的發(fā)展，已形成融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)及多物理場耦合為一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油、化工、汽車、造船、鐵道等各個領(lǐng)域，極強的分析功能涵蓋了幾乎所有的工程問題。ANSYS軟件是第一個通過IS09001質(zhì)量認證的大型分析設(shè)計類軟件，是美國工程師協(xié)會、美國核安全局及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認證的標準分析軟件。在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標準化技術(shù)委員會認證并在國務(wù)院17個部位推廣使用。
[0008]模態(tài)分析作為動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，可以求的模態(tài)參數(shù)(固有頻率、振型)，從而為機械結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供依據(jù)。模態(tài)分析為今后轉(zhuǎn)臺避開共振點附近的設(shè)計提供了合理的依據(jù)。諧響應(yīng)分析則求的某一頻率下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變值，考核在共振情況下是否超過了許用值，同時可以繪制振動伯德圖求出振動的衰減及放大率，為轉(zhuǎn)臺的振動性能是否達標提供了參考依據(jù)，而隨機振動分析可以求得結(jié)構(gòu)在開環(huán)情況下某一位置處的隨機振動情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有振動轉(zhuǎn)臺的動靜力學(xué)設(shè)計難題，提供一種基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。
[0010]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
[0011]—種基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟:
[0012]第一步:初步確定形狀尺寸壁厚布局；
[0013]第二步:轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)分解；
[0014]第三步:部件初步分析；
[0015]第四步:設(shè)計值第一次檢驗；
[0016]第五步:整體再次分析；
[0017]第六步:設(shè)計值第二次檢驗。
[0018]如上所述的初步確定形狀尺寸壁厚布局步驟，根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計轉(zhuǎn)臺，初步確定其形狀尺寸壁厚布局，繪制三維CAD模型圖。
[0019]如上所述的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)分解步驟，將轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)分解為四大部件。
[0020]如上所述的四大部件具體包括框架、底座、軸系及電機碼盤，所述的軸系具體包括軸承、軸承座、軸承壓板和軸。
[0021]如上所述的部件初步分析步驟，對第二步設(shè)計的轉(zhuǎn)臺各個主要部件進行模態(tài)分析；對轉(zhuǎn)臺各個主要部件進行諧響應(yīng)分析，提供諧波載荷。
[0022]如上所述的設(shè)計值第一次檢驗步驟，將第三步分析的固有頻率及諧響應(yīng)分析的應(yīng)力應(yīng)變值與許用值進行比較，如果不滿足要求則更改結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉(zhuǎn)至第一步。
[0023]如上所述的整體再次分析步驟，將轉(zhuǎn)臺的三維零件圖裝配后在CAE中進行振動模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和隨機振動分析。
[0024]如上所述的設(shè)計值第二次檢驗步驟，將第五步設(shè)計的裝配體的固有頻率、應(yīng)力應(yīng)變值與許用值比較，如果不滿足要求則更改裝配結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉(zhuǎn)至第一步；如果滿足，則完成優(yōu)化設(shè)計。
[0025]本發(fā)明的有益效果在于:
[0026]本發(fā)明采用CAE動力學(xué)分析部分取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計。利用CAE技術(shù)對各個模塊進行振動分析得到其固有頻率和振型，對振型量偏大的位置處采用加強筋或結(jié)構(gòu)變形的方式提高固有頻率。利用CAE分析整體模型固有頻率、應(yīng)力應(yīng)變，找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改變結(jié)構(gòu)尺寸，壁厚等參數(shù)使應(yīng)力應(yīng)變值滿足許用應(yīng)力值范圍內(nèi)。利用CAE技術(shù)對轉(zhuǎn)臺整體分析后可以刪減冗余的材料部分，這樣在不影響使用性能的情況下節(jié)約了材料，提高了結(jié)構(gòu)剛性。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明的一種基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的一種基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法進行描述:
[0029]如圖1所示，一種基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟:
[0030]第一步:初步確定形狀尺寸壁厚布局；
[0031]根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計轉(zhuǎn)臺，初步確定其形狀尺寸壁厚布局等，繪制三維CAD模型圖。在本實施例中，初步確定各個零部件的尺寸，形狀，壁厚，加強筋布置等。
[0032]第二步:轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)分解；
[0033]將轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)分解為四大部件，四大部件具體包括框架、底座、軸系及電機碼盤，所述的軸系具體包括軸承、軸承座、軸承壓板和軸。在本實施例中，將轉(zhuǎn)臺主模型分割成如下模塊，外框、中框、內(nèi)框、外軸系、中軸系、內(nèi)軸系、底座及各個軸系的電機或碼盤。
[0034]第三步:部件初步分析；
[0035]通過CAE軟件對初始設(shè)計的各個主要部件進行如下分析:
[0036]對第二步設(shè)計的轉(zhuǎn)臺各個主要部件進行模態(tài)分析；對轉(zhuǎn)臺各個主要部件進行諧響應(yīng)分析，根據(jù)實際使用要求提供已知大小和頻率的諧波載荷，如力、壓力和強迫位移。
[0037]第四步:設(shè)計值第一次檢驗；
[0038]將第三步分析的固有頻率及諧響應(yīng)分析的應(yīng)力應(yīng)變值與許用值進行比較，如果不滿足要求則采用現(xiàn)有技術(shù)更改結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉(zhuǎn)至第一步。例如，如果固有頻率低于許用值或者應(yīng)力應(yīng)變值不滿足要求時，則可以在薄弱環(huán)節(jié)處布置加強筋或者更改結(jié)構(gòu)形式。
[0039]第五步:整體再次分析；
[0040]將轉(zhuǎn)臺的三維零件圖裝配后在CAE中進行振動模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和隨機振動分析。
[0041]第六步:設(shè)計值第二次檢驗；
[0042]將第五步設(shè)計的裝配體的固有頻率、應(yīng)力應(yīng)變值與許用值比較，如果不滿足要求則采用現(xiàn)有技術(shù)更改裝配結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉(zhuǎn)至第一步。如果滿足，則完成優(yōu)化設(shè)計。
[0043]本發(fā)明采用CAE動力學(xué)分析部分取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計。利用CAE技術(shù)對各個模塊進行振動分析得到其固有頻率和振型，對振型量偏大的位置處采用加強筋或結(jié)構(gòu)變形的方式提高固有頻率。利用CAE分析整體模型固有頻率、應(yīng)力應(yīng)變，找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改變結(jié)構(gòu)尺寸，壁厚等參數(shù)使應(yīng)力應(yīng)變值滿足許用應(yīng)力值范圍內(nèi)。利用CAE技術(shù)對轉(zhuǎn)臺整體分析后可以刪減冗余的材料部分，這樣在不影響使用性能的情況下節(jié)約了材料，提高了結(jié)構(gòu)剛性。
【主權(quán)項】
1.一種基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟: 第一步:初步確定形狀尺寸壁厚布局； 第二步:轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)分解； 第三步:部件初步分析； 第四步:設(shè)計值第一次檢驗； 第五步:整體再次分析； 第六步:設(shè)計值第二次檢驗。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述的初步確定形狀尺寸壁厚布局步驟，根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計轉(zhuǎn)臺，初步確定其形狀尺寸壁厚布局，繪制三維CAD模型圖。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)分解步驟，將轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)分解為四大部件。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述的四大部件具體包括框架、底座、軸系及電機碼盤，所述的軸系具體包括軸承、軸承座、軸承壓板和軸。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述的部件初步分析步驟，對第二步設(shè)計的轉(zhuǎn)臺各個主要部件進行模態(tài)分析；對轉(zhuǎn)臺各個主要部件進行諧響應(yīng)分析，提供諧波載荷。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述的設(shè)計值第一次檢驗步驟，將第三步分析的固有頻率及諧響應(yīng)分析的應(yīng)力應(yīng)變值與許用值進行比較，如果不滿足要求則更改結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉(zhuǎn)至第一步。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述的整體再次分析步驟，將轉(zhuǎn)臺的三維零件圖裝配后在CAE中進行振動模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和隨機振動分析。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于:所述的設(shè)計值第二次檢驗步驟，將第五步設(shè)計的裝配體的固有頻率、應(yīng)力應(yīng)變值與許用值比較，如果不滿足要求則更改裝配結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉(zhuǎn)至第一步；如果滿足，則完成優(yōu)化設(shè)計。
【專利摘要】本發(fā)明屬于機械工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于CAE動力學(xué)分析的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，目的在于解決現(xiàn)有振動轉(zhuǎn)臺的動靜力學(xué)設(shè)計難題。該方法包括初步確定形狀尺寸壁厚布局、轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)分解、部件初步分析、設(shè)計值第一次檢驗、整體再次分析和設(shè)計值第二次檢驗步驟。本發(fā)明采用CAE動力學(xué)分析部分取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計。利用CAE技術(shù)對各個模塊進行振動分析得到其固有頻率和振型，對振型量偏大的位置處采用加強筋或結(jié)構(gòu)變形的方式提高固有頻率。利用CAE分析整體模型固有頻率、應(yīng)力應(yīng)變，找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改變結(jié)構(gòu)尺寸，壁厚等參數(shù)使應(yīng)力應(yīng)變值滿足許用應(yīng)力值范圍內(nèi)。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105574223
【申請?zhí)枴緾N201410635998
【發(fā)明人】張俊秀, 張曉飛, 劉均松, 寇淑輝
【申請人】北京航天計量測試技術(shù)研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2014年11月5日