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    埋地排水用塑料中空管道结构的优化设计(二)-凯发信誉

    来源:互联网    作者:    

    3.1  基于现有截面形状的尺寸优化设计

    3.1.1 关键尺寸的doe分析

    运用doe(designofexperiment)方法,对现有截面的三个关键尺寸参数:外壁厚度t_〇uter,内壁厚度tjnner,内外壁内加强筋宽度t_r旧进行试验设计,图3给出了三个尺寸设置范围(内外壁厚不得低于1.8mm[4]),每个尺寸区间内取值6个,共组合出512组不同水平的尺寸组合(图4),将六级环刚度试验条件下管道变形量作为试验响应,基于仿真分析手段,评估各参数对环刚度的贡献率,从而发现如何控制各参数,找到达到较优环刚度的尺寸组合。

    图3 三个尺寸的设置区间

    图4 doe分析的尺寸组合

    鉴于要分析的试验数量较多,采用了相对简化的仿真模型进行计算分析,从而快速获取各尺寸组合下的试验响应,评估比较三个尺寸因子对环刚度的影响大小,具体仿真模型如下图5:对前述管道结构抽取中面,对内外壁及加强筋赋予壳单元的属性(其中厚度值在hyperstudy中被设置为可变参数),上下压板则使用集中力和固定约束进行替代,采用optistruct进行静力计算。由于模型进行了简化,对应原始结构样品的尺寸设置,使用该模型计算的管道变形量为17.31mm(图6),将此数值作为后续doe分析各试验点响应量的比对基准。

    图5 原有管道简化仿真分析模型

    图6 简化模型的分析结果

    3.1.2 doe结果分析

    通过上述doe试验设计得到分析结果,可直观看出各尺寸对环刚度的影响程度,如下图7展示了三个尺寸因子变化对环刚度的影响,斜率越大的表示影响程度越大,可看出三个尺寸参数影响最大因子为加强筋宽度(t_rb),其次为外壁厚度(t_〇uter),最后为内壁厚度(tjnner),由此分析可对后续优化设计提供指导,在尺寸用量上按上述影响程度相对加减,从而找到满足性能且可省材的尺寸组合。

    3.1.3 尺寸优化设计

    基于上述512组doe分析结果,以前述仿真简化模型的变形量计算结果17.31mm作为比对基准,从计算结果中挑选变形量低,并符合上述doe分析的尺寸用量趋势且用材较省的尺寸组合进行再优化设计,绘制详细几何,然后进行该几何结构与原始方案精确仿真分析模型的环刚度仿真对比验证,以确定优化方案的可行性。图8给出了参照第142组尺寸组合设计的优化方案,其截面面积为8325.86mm2,比原始结构截面面积减少2.15%,

    图8 基于doe计算结果的尺寸优化方案

    3.1.4 尺寸优化方案的仿真验证

    采用前述拟合的材料参数,使用3d实体单元建立该优化方案的细化模型,载荷条件同原有结构的六级环刚度测试载荷,使用radioss进行求解,仿真结果如下图9,优化方案管道垂直方向变形为12.42mm,略低于原始结构变形量,验证了优化方案的可行性。

    图9 尺寸优化方案与原始方案的仿真结果比对

    3.2 截面结构的全新设计

    3.2.1 截面结构的拓扑优化

    从前面doe分析来看,内外壁空间内的加强筋对环刚度贡献最大,因此考率寻求最佳的加强筋布置形式,从而使环刚度最大化。采用拓扑优化手段,将内外壁内空间设置为设计空间,利用solidthinkinginspire对该空间进行符合最佳承力的拓扑优化分析,具体拓扑优化结果如下图10。

    3.2.2 方案设计和仿真验证

    基于上述拓扑优化分析结果进行方案的详细设计,如图11给出了一种设计方案,其截面面积相比原始结构减少8%。同样使用hypermesh建立该优化方案环刚度测试的细化仿真模型,radioss求解变形量,以验证该方案的环刚度。仿真结果见图12,原有结构6级环刚度的测试载荷水平下,优化方案管道垂直方向变形量为11.63mm,低于原始方案的12.5mm,该优化方案不仅做到了大量减材且提高了产品环刚度水平。

    图12 优化方案与原始方案环刚度的仿真结果对比

    4 结论

    通过hyperworks系列软件建立了埋地排水管道环刚度测试的仿真分析模型,并基于hyperstudy平台,拟合得到了使得仿真贴近实测的材料参数;运用doe方法评估了原有管道内外壁厚度和加强筋宽度对管道环刚度的影响程度,结果表明加强筋宽度对环刚度贡献最大,次之为外壁厚度,最后是内壁厚度;基于doe分析结果,对原有管道结构进行了尺寸优化,设计了一种同时使得截面面积减少2.15%且仿真表明环刚度不差于原始结构的优化方案;运用solidthinkinginspire对管道截面进行拓扑优化,找到了一种新型加强筋布局形式,据此设计的优化方案截面面积减少8.0%,且经仿真验证表明,该方案可达到比原始结构更加优秀的环刚度。