基于cae動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于機械工程技術領域，具體涉及一種基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法。
【背景技術】
[0002]轉臺是一種重要的地面測試設備，用于慣性導航系統(tǒng)和慣性元件檢定、標定，以及模擬飛行器姿態(tài)運動。
[0003]由于轉臺的特殊地位和廣泛的市場需求而受到世界技術發(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)對于轉臺相關技術缺乏深入的研究，因而導致了研制轉臺的可靠性差，也沒有批量生產的能力；(2)轉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臺的技術性能。
[0004]目前轉臺研制中機械方面的幾個關鍵技術問題:(I)轉臺的結構研究。目前結構的設計很大程度上仍然取決于經驗，而且結構剛度將直接影響整個系統(tǒng)精度是否能夠保證，也直接影響到結構諧振頻率能否進一步提高，特別是結構諧振頻率，對提高轉臺的動態(tài)響應至關重要。結構采取什么樣的形式、框架的壁厚、框架內部筋的布置、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，又因轉臺的功能越來越復雜，精度越來越高，不穩(wěn)定不可靠就成為測試設備的一個重大隱患。模塊化、標準化、工程化則是解決這個問題的突破口。
[0005]隨著慣性導航技術的發(fā)展，慣性元件和慣性導航系統(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)在則要求轉臺能夠提供振動環(huán)境，這就要求轉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上提供相應的振動。因此，必須對轉臺系統(tǒng)的靜動態(tài)特性進行研究。
[0006]有限元法作為力學分析中的數值法，起源于航空工程中的矩陣分析，把一個連續(xù)的介質看成是由有限數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技術公司，是目前國際上最著名的大型通用有限元分析軟件，經過30年的發(fā)展，已形成融結構、熱、流體、電磁、聲學及多物理場耦合為一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應用于航空航天、石油、化工、汽車、造船、鐵道等各個領域，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質量認證的大型分析設計類軟件，是美國工程師協(xié)會、美國核安全局及近20種專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟件。在國內第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員會認證并在國務院17個部位推廣使用。
[0008]模態(tài)分析作為動力學分析的基礎，可以求的模態(tài)參數(固有頻率、振型)，從而為機械結構的合理設計提供依據。模態(tài)分析為今后轉臺避開共振點附近的設計提供了合理的依據。諧響應分析則求的某一頻率下結構的應力應變值，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，為轉臺的振動性能是否達標提供了參考依據，而隨機振動分析可以求得結構在開環(huán)情況下某一位置處的隨機振動情況。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有振動轉臺的動靜力學設計難題，提供一種基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法。
[0010]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
[0011]—種基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，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:轉臺結構分解；
[0014]第三步:部件初步分析；
[0015]第四步:設計值第一次檢驗；
[0016]第五步:整體再次分析；
[0017]第六步:設計值第二次檢驗。
[0018]如上所述的初步確定形狀尺寸壁厚布局步驟，根據傳統(tǒng)經驗設計轉臺，初步確定其形狀尺寸壁厚布局，繪制三維CAD模型圖。
[0019]如上所述的轉臺結構分解步驟，將轉臺整體結構分解為四大部件。
[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，對第二步設計的轉臺各個主要部件進行模態(tài)分析；對轉臺各個主要部件進行諧響應分析，提供諧波載荷。
[0022]如上所述的設計值第一次檢驗步驟，將第三步分析的固有頻率及諧響應分析的應力應變值與許用值進行比較，如果不滿足要求則更改結構中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉至第一步。
[0023]如上所述的整體再次分析步驟，將轉臺的三維零件圖裝配后在CAE中進行振動模態(tài)分析、諧響應分析和隨機振動分析。
[0024]如上所述的設計值第二次檢驗步驟，將第五步設計的裝配體的固有頻率、應力應變值與許用值比較，如果不滿足要求則更改裝配結構中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉至第一步；如果滿足，則完成優(yōu)化設計。
[0025]本發(fā)明的有益效果在于:
[0026]本發(fā)明采用CAE動力學分析部分取代傳統(tǒng)的經驗設計。利用CAE技術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構變形的方式提高固有頻率。利用CAE分析整體模型固有頻率、應力應變，找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改變結構尺寸，壁厚等參數使應力應變值滿足許用應力值范圍內。利用CAE技術對轉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，提高了結構剛性。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明的一種基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明的一種基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法進行描述:
[0029]如圖1所示，一種基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，包括如下步驟:
[0030]第一步:初步確定形狀尺寸壁厚布局；
[0031]根據傳統(tǒng)經驗設計轉臺，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:轉臺結構分解；
[0033]將轉臺整體結構分解為四大部件，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，將轉臺主模型分割成如下模塊，外框、中框、內框、外軸系、中軸系、內軸系、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軟件對初始設計的各個主要部件進行如下分析:
[0036]對第二步設計的轉臺各個主要部件進行模態(tài)分析；對轉臺各個主要部件進行諧響應分析，根據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:設計值第一次檢驗；
[0038]將第三步分析的固有頻率及諧響應分析的應力應變值與許用值進行比較，如果不滿足要求則采用現(xiàn)有技術更改結構中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉至第一步。例如，如果固有頻率低于許用值或者應力應變值不滿足要求時，則可以在薄弱環(huán)節(jié)處布置加強筋或者更改結構形式。
[0039]第五步:整體再次分析；
[0040]將轉臺的三維零件圖裝配后在CAE中進行振動模態(tài)分析、諧響應分析和隨機振動分析。
[0041]第六步:設計值第二次檢驗；
[0042]將第五步設計的裝配體的固有頻率、應力應變值與許用值比較，如果不滿足要求則采用現(xiàn)有技術更改裝配結構中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉至第一步。如果滿足，則完成優(yōu)化設計。
[0043]本發(fā)明采用CAE動力學分析部分取代傳統(tǒng)的經驗設計。利用CAE技術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構變形的方式提高固有頻率。利用CAE分析整體模型固有頻率、應力應變，找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改變結構尺寸，壁厚等參數使應力應變值滿足許用應力值范圍內。利用CAE技術對轉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，提高了結構剛性。
【主權項】
1.一種基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，包括如下步驟: 第一步:初步確定形狀尺寸壁厚布局； 第二步:轉臺結構分解； 第三步:部件初步分析； 第四步:設計值第一次檢驗； 第五步:整體再次分析； 第六步:設計值第二次檢驗。2.根據權利要求1所述的基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，其特征在于:所述的初步確定形狀尺寸壁厚布局步驟，根據傳統(tǒng)經驗設計轉臺，初步確定其形狀尺寸壁厚布局，繪制三維CAD模型圖。3.根據權利要求1所述的基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，其特征在于:所述的轉臺結構分解步驟，將轉臺整體結構分解為四大部件。4.根據權利要求3所述的基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，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.根據權利要求1所述的基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，其特征在于:所述的部件初步分析步驟，對第二步設計的轉臺各個主要部件進行模態(tài)分析；對轉臺各個主要部件進行諧響應分析，提供諧波載荷。6.根據權利要求1所述的基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，其特征在于:所述的設計值第一次檢驗步驟，將第三步分析的固有頻率及諧響應分析的應力應變值與許用值進行比較，如果不滿足要求則更改結構中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉至第一步。7.根據權利要求1所述的基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，其特征在于:所述的整體再次分析步驟，將轉臺的三維零件圖裝配后在CAE中進行振動模態(tài)分析、諧響應分析和隨機振動分析。8.根據權利要求1所述的基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，其特征在于:所述的設計值第二次檢驗步驟，將第五步設計的裝配體的固有頻率、應力應變值與許用值比較，如果不滿足要求則更改裝配結構中的薄弱環(huán)節(jié)，跳轉至第一步；如果滿足，則完成優(yōu)化設計。
【專利摘要】本發(fā)明屬于機械工程技術領域，具體涉及一種基于CAE動力學分析的轉臺結構優(yōu)化設計方法，目的在于解決現(xiàn)有振動轉臺的動靜力學設計難題。該方法包括初步確定形狀尺寸壁厚布局、轉臺結構分解、部件初步分析、設計值第一次檢驗、整體再次分析和設計值第二次檢驗步驟。本發(fā)明采用CAE動力學分析部分取代傳統(tǒng)的經驗設計。利用CAE技術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構變形的方式提高固有頻率。利用CAE分析整體模型固有頻率、應力應變，找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改變結構尺寸，壁厚等參數使應力應變值滿足許用應力值范圍內。
【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研究所, 中國運載火箭技術研究院
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2014年11月5日