利用Pro/MECHANICA實現活塞式壓縮機零件的結構優(yōu)化設計

發(fā)布于：02-11

呂顥¹??晏剛²



(1、開封空分集團有限公司?開封475002；



2、西安交通大學能源與動力工程學院制冷與低溫工程系西安710049)



摘要：本文以活塞式壓縮機的重要零件——連桿為例，介紹了利用Pro/MECHANICA進行零件結構優(yōu)化設計的方法和具體過程。



關鍵詞：優(yōu)化設計?Pro/MECHANICA??活塞式壓縮機



1?概述



優(yōu)化設計就是搜索滿足給定約束條件下的目標函數的極值。如要求零件在滿足不超過許用應力的條件下，其質量最輕。類似的優(yōu)化問題，在機械設計中大量存在。在優(yōu)化設計前，需要對設計參數進行篩選。通過篩選，確定對優(yōu)化目標函數影響最大的設計參數。



在傳統設汁方法中，要想了解某一尺寸對零件強度的影響，只能分別對該尺寸的每一次變化進行強度計算，得出取不同尺寸時零件內的應力值，然后對結果進行分析比較，從而得出應力受參數影響的變化關系。但重復計算零件應力工作量是十分巨大的，將耗費大量的人力和時間。



敏感度分析可以完成參數篩選工作，為進一步的結構優(yōu)化設計奠定基礎。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力與不同的設計變量之間的關系，找到對最大應力影響最大的變量，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(例如最大應力小于材料許用應力)的前提下，使目標函數取得極值(通常是零件質量最小)的設計變量。整個優(yōu)化過程都由計算機來完成，并且由于Pro/MECHANICA是完全集成在Pro/ENGINEER環(huán)境中的，因此可以根據計算結果直接對零件模型進行升級，從而大大提高設計效率和設計質量，這是其他分析軟件所無法實現的。



2?壓縮機連桿結構優(yōu)化設計



在壓縮機連桿的設計過程中，由于大頭的寬度和厚度均受到機器整體結構尺寸的制約，故優(yōu)化主要是針對大頭高度進行。實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計參數，后面的優(yōu)化將針對該參數進行；然后建立并運行敏感度分析，確定連桿拉伸總應力最大值受大頭高度影響的變化關系，從而確定優(yōu)化設計中參數的變化范圍；最后建立并運行優(yōu)化研究，尋找能滿足零件質量最小且最大總應力不超過材料許用應力的參數值，并由軟件自動對模型進行升級。下面將介紹利用Pro/MECHANICA進行連桿結構優(yōu)化設計的工作過程。



2.1?定義設計參數



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







圖1?選擇大頭高度尺寸作為設計參數



為了方便識別，將此設計參數命名為“height-bigend”，并根據零件結構的限制，指定其變化范圍為120-150。



2.2?預覽零件尺寸變化



在敏感度分析的過程中，需要變動零件的結構。如果設計參數的變化范圍設置不合理，會導致零件的再生失敗和分析過程的中止。因此，應保證對于設計參數的變化范圍內的每一個參數值，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)來觀察參數的變化過程。



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



(2)“Shape?Animate”命令，可以動態(tài)觀察參數變化對幾何模型的影響。設定參數的變化范圍以及變化間隔，單擊“Animate”按鈕，則零件從設計參數的最小值開始，以設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)。預覽所有參數，確認模型生成無錯誤后，回到模型的原始尺寸。



利用“Shape?Animate”可以觀察到模型在設計參數的變化范圍內逐步變化的效果，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)化分析中耗費大量的時間。



2.3?建立并運行全局敏感度分析



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



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，建立一個設計研究。在彈出的“Design?Study?Definition”對話框中，將分析類型設置為“Global?Sensitivitv”(全局敏感度)；“Analyses”項選擇應力分析中定義的靜態(tài)分析“Stretch”，針對零件受拉伸的情況進行全局敏感度分析；“Parameter”項選擇前面定義的設計參數"height-bigend”，并設定其變化范圍從參數的最小值到最大值，在其整個變化范圍內進行全局敏感度分析；“Number?of?Intervals”項設置分析時設計參數的變化間隔數，這里可保留默認值“5”。設置完成的“Design?Study?Definition”對話框如圖2所示。







圖2?設置完成的“Design?Study?Definition”對話框



設置完成后，開始運行分析。分析運行過程中，可以打開狀態(tài)顯示窗口進行觀察。經過約3小時的計算，分析完成。



2.4?獲取敏感度分析結果



為了便于觀察零件最大總應力隨設計參數變化的情況，可以用曲線圖的形式表示出二者之間的關系。選擇菜單管理器"Results”命令，在彈出的對話框中新建結果顯示窗口，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”；顯示類型設置為“Graph(曲線圖)”；并將“Measure(測量)”項目設置為“max-stress-vm(模型最大總應力)”，“Design?Var(設計參數)”項指定為前面定義的參數“height-bigend'’。



設置完成后確認，屏幕即顯示模型最大總應力隨設計變量“height-bigend”而變化的關系曲線，如圖3所示。







圖3?模型最大總應力與設計變量“height-bigend”之間的關系曲線



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



2.5?定義并運行優(yōu)化分析



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



按照前面的方法新建一個設計研究。在“Design?Study?Definition”對話框中，將分析類型設置為“Optimization(優(yōu)化)”；接受默認的設計目標“Total?Mass(總質量)”最小；將“Limits?On?Measures”約束條件設置為“max-stress?vm<60”；并設置參數的最小值為l30，最大值為150，初始值為130，即要求Pro/MECHANICA從130開始，在130～150范圍內對設計參數進行優(yōu)化分析。其余選項可保留默認值。設置完成的對話框如圖4所示。







圖4?完成的優(yōu)化分析設置對話框



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







圖5?分析運行狀態(tài)顯示窗口



由分析狀態(tài)顯示窗口可以看到，經過優(yōu)化分析，找到了滿足條件的最佳設計參數：139.957。



2.6?對零件模型進行升級



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



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”，系統按照優(yōu)化分析的過程逐步對模型進行重新生成，直至達到優(yōu)化分析找到的最佳設計參數。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)化分析結果升級連桿零件模型



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



件的二維工程圖也會自動按照優(yōu)化后的模型進行更改。



3?小結



通過優(yōu)化設計，可以實現在滿足零件強度、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)化設計在現代機械設計中占有著越來越重要的地位。本文以活塞式壓縮機連桿為例，介紹了利用Pro/MECHANICA軟件進行零件結構優(yōu)化設計的方法。使得結構設計由原來的驗算變?yōu)榱苏嬲饬x上的設計過程。同時，使設計者從繁重而枯燥的手工計算中解脫出來，從而有更多的精力去關注產品的改進和創(chuàng)新，并使設計效率得到了大幅度提高。



摘自09年1期《氣體分離》