相对变形约束下某离心机吊篮拓扑优化设计

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1、航天器环境工程第29卷第1期相对变形约束下某离心机吊篮拓扑优化设计陈磊，洪建忠，杨永生，蒋春梅，李心耀(中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳621900)摘要：吊蓝是离心机的承栽结构，其质量直接影响到离心机的承载能力。基于HyperWorks／OptiStruct平台，以吊篮质量为目标函数，以吊篮平台最大变形为约束条件，采用变密度法对某离心机吊篮结构进行拓扑优化设计．有限元分析结果表明，拓扑优化后吊蓝结构能够满足预设的最大变形约束条件，而且质量大为战小，很好地实现了轻量化目标．，关键词：离m机：吊蓝：拓扑优化：Hype

2、rMeslVOptistruet中图分类号：THl22文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)01-0100-04lX)h10．3969／j．ism．1673-1379．2012．01．0210引言目前，离心机被普遍应用于航天员超重训练、航天设备试验、仪器例行试验和岩土力学研究等方面。吊篮是联结试件与离心机转臂的纽带，它位于离心机最大加速度场中，其巨大离心力是离心机主要载荷之一。减轻质量、加强刚度、合理设计其结构外形可明显降低离心机的功耗，对提高离心机容量有重要意义⋯。目前离心机吊篮设计通常采用经验结构，往

3、往要经过反复设计和分析，直到结构强度、刚度满足设计要求。其效果好坏取决于设计者的经验。作为结构优化中的较高层次，拓扑优化技术能在更大程度上实现结构最佳功能和最小成本的结合，因此成为优化设计领域的热点。本文基于HyperMesh／Optistruct平台，以吊篮质量为目标函数，以吊篮平台区最大变形为约束条件，采用变密度法对某离心机吊篮结构进行了拓扑优化设计，使其在保证吊篮平台最大变形的要求下实现轻量化目标。提高离心机的承载能力。l离心机吊篮设计要求离心机在稳定运行时，吊篮受到空气阻力和试件与吊篮质量产生的惯性力作用。离心机

4、在启动与制动过程中，由于吊篮的摆动还会产生随机的附加弯矩和摩擦力【2】。文中在极限工作条件下对吊篮进行优化设计，因随机产生的附加弯矩和摩擦力相对惯性力较小，可不予考虑：而空气阻力可以通过在吊篮迎风面前后加轻型整流罩予以有效降低。所以在吊篮设计及优化过程中，仅考虑模型和吊篮自身质量所产生的惯性力的影响pJ。吊篮由吊臂、平台、销轴和轴承衬套组成。采用高强度的材料锻造加工而成的吊臂通过销轴与平台连接为一整体，其结构形式如图l所示。吊篮在离心场下运行时(如图2所示)，吊篮平台与吊臂在C、D点采用销轴连接，吊臂在A、B点受到离心机

5、销轴对轴承衬套的约束，同时，吊篮平台受到试件在离心场下所受离心力产生的载荷P和离心力G的作用。吊篮平台除了因吊臂的变形而整体沿离心力方向发生变形外，C和D两端将沿y向移动并发生弯曲变形。因此，定义C和D端的约束条件时，不能约束c和D端Y向自由度与x向的旋转自由度p41。图1离心机吊篮结构Fig1Structureofthecentrifilgebasket收稿日期}201I-04．19；修回日期：2011-05．10作者简介：陈磊n984一)，女，主要从事非标设备结构设计覆研究工作。E-mail：chcnlei0717@

6、gmail．com．墨!塑堕垒量；塑塑銮垄塑壅工苤童：坠垫曼篁堑盐垡些堡生!鱼!图2吊篮平台约束及受力状态Fig．2ConstraintsandforcesOIlthebasketplatform吊篮由几块34CrNiMo合金钢拼接而成，总质量为820kg。经过有限元分析，吊篮最大等效应力发生在吊臂立柱，为174．5MPa；吊篮沿离心力方向最大变形发生在吊篮平台中部，为0．51rain。为增加平台的刚度，保证试验的精度，通常平台是采用厚板与网格状的筋板焊接而成，在最大载荷作用下，吊篮平台变形量应控制在lmm以内口J。对于

7、工作工况为2009的离心机，降低吊篮质量对销轴和转臂受力十分有利。显然，将吊篮轻量化作为设计目标比将吊篮刚度作为设计目标更加合理，因为在吊篮刚度满足指标要求的情况下，质量仍有优化空间。为满足离心机技术指标和设计要求，必须在控制吊篮平台变形量前提下，对吊篮进行优化设计，以实现吊篮轻量化要求。2离心机吊篮拓扑优化设计2．1拓扑优化基本原理拓扑优化的最大优点是能在结构拓扑形状未定的情况下根据已知边界条件和载荷条件确定比较合理的结构形式，既能用于全新产品的概念设计，又能用于已有产品的改进设计口J。优化设计有三要素：设计变量，目标

8、函数和约束条件”J。优化设计的数学模型可表述为【7】：最小化目标函数几的钡rl，x2，⋯，％)：(1)约束条件g，(础≤o，，=l，2，L，m，(2)嚏(x)=0，女=l，2，L，％，(3)砰≤五≤x,o，l_l，2，L，”。(4)式(1)～(4)中：Fzl，勋，⋯，南是设计变量，是在优化过程中进行改变以提高性能的参