基于ANSYS和ISIGHT的EHA作动筒结构分析与优化.pdf

业信息化 DOI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 4 0 4 0 2 2 基于A N S Y S 和I S I G H T 的E H A 作动筒结构分析与优化 陈辰 段富海 大连理工大学 机械工程学院 辽宁大连 1 1 6 0 2 3 摘要 研究了飞机电动静液作动器作动筒的结构分析与优化问题 采用 A N S Y S 软件对E H A的作动筒进行了载荷 模态和压杆 稳定性等有限元分析 使用I S I G H T 软件 以作动筒的质量最轻和变形最小为目标 同时满足静载荷约束和模态约束 建立了 作动筒的优化模型 选用I S I G H T内嵌的N L P Q L 序列二次规划算法进行了优化设计 得出了优化结果 研究结果表明 用 I S I G H T 进行优化设计 工作量小 求解问题简单方便 得到的作动筒设计参数更为合理 关键词 电动静液作动器 E H A 作动筒 A N S Y S I S I G H T 结构分析与优化 中图分类号 T B1 1 4 3 T B 1 1 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 4 0 4 0 0 8 0 0 5 S t r u c t u r a l An a l y s is a n d Op t imiz a t i o n o f t h e Ac t i o n Cy l i n d e r o f EHA Ba s e d o n ANS YS a n d I S I GHT CHEN Ch e n DUAN Fu h a i C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g D a l i a n U n i v e r s it y o f T e c h n o l o g y D a l i a n 1 1 6 0 2 3 C h i n a Ab s t r a c t T h e p r o b l e m o f s t r u c t u r a l a n a l y s i s a n d o p t im i z a t i o n o f a i r c r a f t e l e c t r o h y d r o s t a t i c a c t u a t o r E HA a c t io n c y l i n d e r is r e s e a r c h e d in t h is p a pe r Us in g ANS YS fin it e e l e me n t a n a l y s is s o f t wa r e l o a d mo d a l s h a p e a n d c o mp r e s s io n s t a b il it y o f EHA a c t io n c y l in d e r a r e d is c u s s e d r e s p e c t i v e l y T a k i n g t h e m i n i mu m m a s s a n d mi n i mu m d e f o r ma t i o n o f a c t i o n c y l i n d e r a s o b j e c t i v e f u n c t i o n w h i l e me e t i n g t h e c o n s t r a i n t s o f s t r e s s a n d m o d a l t h e o p t i mi z a t i o n m o d e l i s c r e a t e d u s i n g I S I GH T s o f t w a r e N L P QL s e q u e n t i al q u a d r a t i c p r o g r a mmi n g a l g o r it h m wh ic h is e mbe d d e d in I S I GHT is u s e d t o g e t o p t imiz a t io n r e s u l t s F in a l a n a l y s is c o n c l u s io n s u g g e s t t h a t u s in g I S I GHT s o fiwa r e t o o p t imiz e a n d d e s ig n p r o d u c t c a n e a s il y g e t t h e r e s u l t a n d r e d u c e t h e wo r kl o a d me a n wh il e t he d e s ig n e d a c t io n c y l in d e r pa r a me t e r s a r e mo r e r e a s o n a b l e Ke y wo r d s e l e c t r o h y d r o s t a t ic a c t u a t o r E HA a c t io n c y l i n d e r A N S Y S I S I G H T s t ruc t u r a l a n a l y s i s a n d o p t im iz a t io n O 引言 未来飞机向高速化 高压化 快速响应等方 向发展 而随着 飞机速度 和其他性 能 的不断提 高 飞机舵 面承受的静动态载荷将会更大 偏转 速率将会更快 这要求控制舵面精准偏转的作动 器功率更大 结构强度更好 作动筒是作动器的 关键部件 要承受主要静动态载荷 同时由于作 动器在工作时要面临各种各样的工况 会通过振 动 负载力 铰链力矩等形式在作动筒上产生交 变动态载荷 都会对作动筒 的静动态特性和稳健 性产生较大的影响 从而影响作动器的使用性能 在当前的功率电传机载作动系统中 电动静 液作 动器 E l e c t r o H y d r o s t a t ic A c t u a t o r E HA 以 其体积小 功率大 控制灵活等特点受到越来 越大 的关注 是 当前先 进 飞机新作 动系统研 究 的重点 在 E HA作动筒 的受力状态分析 工况运行模 拟方 面 国内外 研究报 道不 多 在设 计高性 能 E HA产品时 有必要采用有效 的有 限元分析 F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s F E A 软件 对其结构进行 分析 找出其可能存在的失效形式或设计缺陷 避免共振效应 并通过仿真优化等手段对作动筒 进行结构优化 达到提高产品结构强度 可靠性 和寿命 降低产品重量和成本的目的 A N S Y S 是一种适合机械构件结构分析的大型 通用F E A软件 能提供强大的实体建模及网格划 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 3 1 薹 薹 睦 堂 陈 辰 等 基于A N S Y S 和 I S I G H T的E HA作动 筒结构 分析与优化 业信 分工具 能方便地构造有限元模型 能进行结构 及优化分析 能将计算结果以彩色等值线图形方 式显 示 基 于 多学 科 设计 优 化 f Mu h id is c ip l in a r y D e s ig n O p t imi z a t io n MD O 框架 的 I S I G HT优化 软 件是过程集成 优化设计 和稳健性设计 的集成开 放软件 使用I S I G H T 的过程集成界面 可方便地 将 各种通用 的 C AD C A E软件 工具集成在 一起 将各种优化方法有效地组织起来进行 多学科优化 设计 本文以电动静液作动器的作动筒为研究对 象 使用 A N S Y S 对其分别进行了载荷分析 模态 分析 和压 杆稳 定性分 析 通 过 I S I G H T集 成 A N S Y S 以作动 筒 的质 量最 轻和变 形最小 为 目标 同时满足静力约束和模态约束 建立了作动筒的 优化模型 进行了优化设计 得出了优化结果 1 E H A的工作原理和作动筒载荷要求 1 1 E HA的工作原理 E HA的工作原理如图 1 所示 指令 电源 位置反馈 压力反馈 一 一 舵面 耋 馈 过 滤 筒 滴 J 无刷电机 压力反馈 图1 E H A作动器原理框图 通过数字控制器和功率控制器组成 的控制 电 路 控制永磁无刷直流电机的转速 通过电机带 动高速双 向定排量柱塞泵旋转运动 继而控制泵 输 出到作动筒的高压油的流量 以容积调速方式 完成对作动筒的控制 电机的正反转控制作动筒 的伸 出和收缩运动 电机的转速控制作动简的运 动速度 1 2 E H A的作动筒载荷要求 作动筒 的静动态性能要求主要包括铰链力 矩 限制 极限载荷 静态刚度 有载偏转速率 动态刚度特性和频率响应特性分析等 下面根据航空作动器规范 给 出某型民用运 输机方向舵 E H A作动器作动筒 的最大铰链力矩要 求 限制载荷和极限载荷要求 最 大铰链力矩规定为舵面失速时可能承受的 最大气动铰链力矩 某型民用运输机方 向舵作动 器最大铰链 力矩 出现在起飞 滑跑 阶段单发 失效 舵面为 3 0 时 将该最大铰链力矩要求转化为作 动器最大输 出载荷为5 x 1 0 N 该 型 民用 运输 机方 向舵作 动器 的 限制载荷 L imit lo a d 规定为作动器需经历限制载荷后无功 能和性能降级 对应机械部件 的计算要求为可允 许弹性变形但不允许出现塑性变形和破裂 该型 民用运输机方 向舵作动器 的极限载荷规定 U lt i ma t e lo a d 为作 动器经历极限载荷后 不允许 出 现破裂 可接受 出现一定的塑性变形 缸体中液 压油 取验证压 力 P F 4 5 0 0 p s ig 用 于校核 限制 载 荷 取爆 破压力 7 5 0 0 p s ig 用于校核危 险界 面 的极限载荷 将限制载荷和极限载荷换算为标 准单位制分别为3 1 0 1 MP a 和5 1 6 8 M P a 2基 于ANS YS的作动简有 限元分析 2 1 作动简的载荷分析 根据 E HA作动器的最大输出载荷和液压油额 定压力 2 0 6 8 2 MP a 3 0 0 0 p s ig 可以设计出作动 筒缸筒 的内径为 8 0 m m 根据经验公式 设计作 动筒缸筒 长度 2 0 0 h im 缸筒厚度 8 mm 活 塞厚 度 5 6 m m 活塞杆 直径 6 0 mm 活塞 杆长度 4 0 0 m ln 作用在 活塞杆上 的外力 F 5 x 1 0 N 设置 作动简 的材料密度 弹性模量 泊松 比 许用抗 拉强度分 别为 P 7 8 x 1 0 k g m E 2 x 1 0 P a O 3 6 1 0 6 9 M Pa 用 A N S Y S 建立作动筒有限元模型时 忽略了 比较小 的倒角和螺纹孔等 并对活塞杆两端的耳 环 活塞 和缸筒两端等关键部位的网格进行 了细 化处理 选用 S o lid 9 5 高阶三维实体单元作为计算 单元 采用映射网格对模型进行 划分 最后 获得 的有限元模型共有2 4 0 5 2 个单元 1 4 2 4 7 个节点 S o l i d 9 5 高阶三维实体单元具有2 0 个节点 每 个节点有 3 个 自由度 即转化为节点坐标 系下 的 绕三个坐标轴方向的移动 S o l i d 9 5 单元可以在不 损失精 度 的前提 下很好 地模 拟不规 则 的几何形 状 并且具有协调的位移 函数 可 以很好 的模拟 数 字 控 制 器工 功 率 驱 动 电 路 业信息化 当缸筒额定压力 P 1 6 M P a H J 取 P 1 2 5 P 0 r 为缸筒材料的许用应力 or l o r n 为材 料 的抗 拉强 度 or 1 0 6 9 MP a 7 为 安全 系 数 一 般 取 5 将 各 数 值 带 人 式 中 得 Tl I 4 8 3mm 根据最大工作行程 要求缸筒长度范围为 1 5 0ml n L1 40 0mm 根 据作 动器行 程 要求 活塞杆 长度范 围为 3 0 0mm 2 6 0 0mm 活塞杆直径需要满足的校核条件 厂 D 2 其 中 F为输 出载荷 为活塞杆材料 的 许用应力 1 4 同时根据设计要求 0 5 Dl D2 Dl 综上 4 0m m D 2 8 0 mm 活塞的厚度 作为设计变量一般为 0 6 1 l 故 4 8 m m 8 0 m m 根据设计要求 作动筒在满足最大压缩工况 下的最大应变小于0 1 m m 在极限载荷作用下应 力不超过强度极限 为使结构的刚柔度保持在合 理范围内 保证优化后作动筒的模态频率处在一 个稳定的区间内 设定优化前的第 1 阶模态频率 值减小 3 0 Hz 约为 1 1 0 H z 作为下限 第 2阶模 态频率值增加3 0 H z 约为 1 8 0 H z 作为上限 优 化目标为作动筒的质量最轻 变形最小 作动筒的结构多学科设计优化问题描述如下 优化 目标 Min im iz e Ma s s F 1 L l D2 T 2 L 2 3 Min im iz e D e f o r ma t io n F 2 1 D 2 2 4 约束条件 Ma x imu m De f o r ma t io n 0 1 mm 5 1 1 0 H z F R E 1 8 0 H z 6 作动筒 的设计变量见表2 表 2 作动 筒的设计变量 3 2基于l S I GH T的作动筒优化 应用基于M D O框架的I S I G H T 软件对作动筒 进行结构优化时 首先要将 A N S Y S 集成于 I S I G HT 平 台 然后根据数学模型进行参数 的设置 包括 变量 目标 函数 约束 函数及优化方法选择 优 化 时选用 I S I G HT内嵌 的 N L P Q L序列二 次规划算 法 8 j 优化运行结果如图7 和图8 所示 2 2 6 3 5 l 9 2 4 9 3 4 8 o o 3 O 仉 o o 0 0 9 9 盼 l 3 6 5 4 4 5 i5 7 7 o 矗 3 l 9 2 粥 柏 拣 0 D o o O 9 9 8 9 1 3 斗 5 7 7 o 2 4 6 9 3 S I 9 2 S 4 2 9 3 4 8 0 0 3 o o 舯 O 9 窖 O l 3 7 0 3 8 1 5 8 0 3 2 5 6 8 3 5 1 9 3 1 5 4 2 9 3 诣 3 o o 舯 m 1 0 0 0 4 1 3 6 5 8 3 1 1 5 7 6 7 2 6 6 8 I 9 9 5 4 3 o 3 4 8 伪 3 O O 0 0 a 朝 5 l 3 6 6 6 o 1 5 8 1 5 2 7 6 8 3 5 l 9 9 5 4 9 3 鹌 1 O 3 O n o o 0 0 9 9 9 7 1 3 6 5 7 0 3 1 5 8 0 5 2 8 6 5 l 9 2 9 5 4 2 9 3 4 8 O 0 3 o o 3 0 0 o 9 粥3 1 3 6 5 7 4 6 1 5 7 4 3 2 9 i 嬲4 1 7 1 5 1 6 l 朋 48伪 弼O 锕 O 嘲 I 2 I 3 9 4 2 2 I 1 7 7 9 7 3 O 6 3 7 3 1 8 3 o 5 5 1 4 7 穰0 0 3 o o 舯 o O 9 3 3 l l 3 6 7 0 9 2 1 7 7 2 8 3 l 6 4 3 l 8 3 0 5 5 l 4 7 4 8 3 o o 0 0 0 2 5 2 l 3 7 2 l 6 o 1 7 7 3 3 2 6 3 7 3 l 豹 2 4 5 l 4 7 4 8 舯 3 肿 0 O 9 3 2 l l 3 6 3 o 8 1 7 7 勰 3 3 6 3 3 l 薯 3 S 5 1 5 4 3 a D 3 O o o o 0 o 9 3 o 8 l 3 6 7 9 5 2 1 7 7 2 9 3 4 3 7 3 l 8 3 5 1 4 7 4 8 1 O 3 O o o 0 O 9 3 I 6 l 3 6 7 7 2 1 l 2 4 3 5 6 3 7 3 l 8 3 0 5 5 1 4 7 4 8 0 0 3 o 0 3 O O 0 9 3 1 8 1 3 6 7 4 7 3 l 7 7 l 3 3 6 6 8 3 5 l 9 2 4 3 1 3 档舶 3 o O 舶 O 0 9 9 5 O l 3 醴5 酯 1 5 8 4 8 6 6 3 2 l 霉 霉 6 o 4 6 7 7 I 皇 0 0 3 0 o 伪 0 o 9 6 6 2 l 3 6 5 g 1 6 8 5 5 3 3 5 7 I 5 1 娃 4 9 3 8 4 8 0 0 3 0 o 0 o 0 0 9 7 3 9 l 3 3 2 2 8 7 1 6 5 6 4 3 9 5 l7 4 5 l 转 7 7 4 3 8 4 8 舯 3 0 瞌 0 o 0 0 9 7 4 0 l 3 I3 l 9 4 6 l 6 5 5 1 4 0 5 3 抬 l 8 l 5 3 3 4 8 o o 3 0 o o o 0 卵 1 3 1 8 5 1 0 l 6 6 l 4 l 5 3 饽 l 7 4 9 8 5 o 3 3 船 o o 3 o o 加 0 l 0 o 1 3 1 8 3 l I 1 6 6 2 4 2 5 3 7 9 l 7 4 8 1 卯 4 3 4 3 伪 3 o o 舯 O o 9 9 8 7 1 3 1 7 8 5 0 1 6 6 8 4 4 3 S 7 8 1 7 5 0 2 5 o 4 o 4 8 0 o 3 0 o 0 o O O 势奠 l 3 1 7 6 0 4 l 6 6 8 9 4 4 5 6 o 1 7 5 l O 5 0 5 7 4 s 加 3 O 0 o 0 O 9 9 1 3 1 7 5 8 1 l 6 6 9 6 图7 作动筒优化过程部分变量数据截图 图8 作动筒质量优化过程图 优化结果 作动筒缸筒长度 1 7 4 8 9 m m 作 动筒缸筒厚度 5 3 8 m m 活塞厚度 4 8 m m 活塞 杆直径 5 0 4 2 m m 活塞杆 长度 3 0 0 mm 变形 量 0 0 9 9 7 5 m m 质 量 ma s s 1 3 1 8 k g 质 量 比于优 化前的质量 l 7 2 5 k g 减少了2 3 5 4结论 以飞机电动静液作动器作动筒为研究对象 下转第 1 4 0 页 掂 掩 M 埒 8 6 t 2 O 舅 路蓝墨 与开发 是协调员的基本职责 即读取一个或多个节点数 据和写入一个或多个节点存储 的数据 系统为每 个客户的请求创建一个状态机 包含以下逻辑 1 标识负责一个k e y 的节点 2 发送请求 3 等待 回应 4 重试处理 5 加工包装回客户端 的响应 一 般情况下每个状态机只处理单个客户端 的 请求 5 总结 D y n a mo 经过长时间应用 它 的高可用性得到 了实践证明 9 9 9 5 的应用请求都成功收到无超 时的响应 虽然 D y n a m o 存在着一致性的问题 但 是该问题可以利用其他技术有效地解决 其次 在D y n a m o 中 用户可以从 自己的角度来设定三个 参数值 在此之外 D y n a mo 还向系统 的开发者们 公 布了系统协调一致性 的逻辑上的问题 D y n a m o 的高可移植性使得移植应用程序到D y n a m o 是非常 容易的 针对不同的业务需求配置相应的冲突协 调机制可以大大提高系统效率 最后 D y n a m o 采 用全成员 f u l l m e m b e r s h i p 模式 每个节点都需要 上接 第8 4页 采用A N S Y S 软件对E H A的作动筒进行了载荷 模 态和压杆稳定性等有 限元分析 通过 I S I G H T 集成 A N S Y S 对作动筒进行 了结构优化设计 取得 了 较好的优化效果 结果表明 用 I S I G HT 进行作动 筒优化设计 工作量小 求解简单方便 得到的 作动筒设计参数更为科学合理 本文的分析和优化方法 可为大型机器人手 臂的作动器和工程机械的液压缸设计提供借鉴 参考文献 l 1 J F e n g t a o We i L i S o n g Y a n L i P e n g L i u A p p l ica t i o n o f I S I G H T i n s o l v in g mu l t i o b j e ct i v e o p t i ma l d e s i g n p r o b l e ms C C o n s u me r E l e ct r o n ics C o mm u n ica t i o n s a n d N e t w o r k s C E C N e t X i a n N i n g 2 0 1 1 1 1 0 1 1 3 2 沈磊 民用飞机电传飞控作动系统设计与工程运用 D 上海 上海交通大学 2 0 1 2 3 李晓东 工程机械液压缸有限元分析研 究 D 长 春 吉利大学 2 0 1 2 4 S h o u g u a n g Y a o S h e n g ch e n Z h a o F e i L i u F i n i t e e l e 一 积极地 与系统 中的其他 节点交换 完整 的路 由表 以便知道其对等节点承载的数据 然而 这样 的 设计以运比较多的节点的问题是路由表存储的高 成本 因此为 了克服这种限制 需要通过对 D y n a m o 引人分层扩展技术 参考文献 1 金海 袁平鹏 语义网数据管理技术及应用 M 北 京 科学出版社 2 0 1 0 2 H a y e s B C l o u d C o mp u t in g J C o mm u n ica t io n s o f t h e A C M 2 0 0 8 5 1 7 9 1 1 3 N A MJ O S HI J G U P T E A S e r v i ce O r i e n t