基于SolidWorks Simulation的新型鱼雷支架优化设计

0 引言

    为了方便调试、存放或运输鱼雷，需要制作与鱼雷外径相适应的鱼雷支架。以往雷架基本采用型材焊接，在上端粘贴毛毡，形成鱼雷支撑弧面，这种雷架由于结实耐用而得到广泛应用。但随着鱼雷调试批量的增加，这种雷架的弊端逐渐凸显：当雷架大量闲置的时候，各个雷架不能叠放，将占用大量的场地，同时也不利于雷架的运输；另外，其制作过程较为繁琐，成本也相对较高。因此，本文考虑设计一种类似塑料凳可插拔式堆叠的新型雷架。

    采用Solidworks软件完成雷架基本构型的设计。该雷架的制作采用注塑，需要制作相应的模具。在模具制作完成之前，并没有很好的方法对产品的强度进行验证，加之模具本身尺寸较大，产品加工风险很高，但也不能一味通过加厚雷架壁面厚度来充分保证其强度，因为这也将增加模具加工成本以及单个雷架的原料成本。基于此，采用SolidWorks Simulation插件对雷架模型进行了有限元分析，模拟其受力及变形情况。同时，基于SolidWorks参数化的特点设置几个重要尺寸变量，在优化设计过程中，通过改变这些变量构造多种方案，从中找出相对合理的设计。

l 可插拔式堆叠鱼雷支架设计

    可插拔式堆叠的鱼雷支架整体采用注塑成型，为了实现雷架可插拔式堆叠的功能，采用内腔中空结构，中空的4个侧面倾斜设计，如图1所示。图中，雷架主要构件包括雷架主体(1)、内腔(2)、雷体支撑弧(3)、4个与地面接触的支脚(4)、两侧用于手工搬运的提拉口(5)以及用于固定其他辅助装置的定位孔(6)，关键尺寸为，l₁ ，v₁，l₂，v₂。其中，为了加强整体强度，在内腔的4个角以及内腔壁上设计有加强筋结构。考虑到鱼雷外径有时候并不是标准的圆柱面，在上端留有定位孔，必要的时候可安装不规则支撑弧面。

    图1 可插拔式堆叠雷架结构示意图

    在实际工作时，一般2个雷架首尾放置。单个支架能够承受不小于1200kg的压力。为充分保证强度，在注塑的时候选用强度较高的ABS塑料，其最大张力强度达到3×10⁷N／m2。

2 支架有限元分析及结构优化

    有限元法(finite element method，FEM)是将连续体离散化，通过对有限个单元插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。有限元分析可分成3个阶段：前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，方便用户提取信息，了解计算结果。

    目前的有限元分析软件中使用最为普遍的是ANSYS，SolidWorks构建的3D模型可先另存为parasolid格式，在ANSYS中便能打开进行分析。本文则采用Simulation插件完成有限元分析及结构优化过程。Simulation作为嵌入式分析软件与SolidWorks无缝集成。运用SolidWorks Simulation．一般的工程技术人员便可以进行产品分析，快速得到相应的分析结果，SolidWorks Simulation能够提供丰富的计算与分析工具来对较复杂零件及装配体进行运算、测试和分析，主要功能包括应力计算与分析、应变计算与分析、产品设计及优化、线性与非线性分析等。

    Simulation中的有限元分析过程也分为前处理、计算以及后处理阶段。首先设置雷架材料为ABS，固定雷架的4个支脚，在上端圆弧支撑面添加12000N的轴承载荷并完成有限元网格划分。该过程尽量真实模拟雷架的实际工作情况。在SolidWorks Simulation 中，网格划分越精细，结果就越精确，但是计算速度也会越慢。判定计算结果基本合理有2种方法：第一，查看VonMises应力中的波节值(即网格节点应力值)和单元值(即有限元网格平均应力值)，若两者最大值相差不到5％，就可认为现有计算实例精度足够：第二，前后两次计算的Von Mises应力值相差不到5％，即是网格的细化带来结果的变化很小，也可认为计算精度足够。

    当雷架壁厚设定为4 mm时，最大应力处于上端圆弧底端，约为2．5×10⁷N／m2，比较危险。因此考虑增加壁厚或者改变其他尺寸。

        优化设计的原理是建立优化模型，运用相关优化算法，通过满足设计要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优设计方案。

    优化设计问题的数学模型可表示为

    其中：F（X）为目标函数，为设计变量的函数；x_i为设计变量；gi（X）为约束条件；l和m是状态变量的个数。目标函数是最小化函数，一般包括尺寸(如厚度)、质量、成本等性能准则；设计变量为需要改变的设计输入参数，例如高度、宽度等，一般在优化设计之前，都需要限定设计变量的变化范围；状态变量用于判断设计的模型响应参数，比如内力、应力、位移等，合理的设计必须要保证状态变量符合规定的限制条件，最终的优化设计才能实现。

    SolidWorks Simulation为产品结构优化提供了极大便利，优化设计之前，都需要对初步方案进行力学分析，优化设计算例都将以此为基础。优化设计主要包含2个目的，一是对比选择多种设计方案；二是限定关键尺寸(即设计变量)变化范围以及限制条件(状态变量)，寻求最小化目标函数(如质量、体积)。整个方案对比或优化设计过程中，变化的是尺寸，材料以及外界条件(上端圆弧支撑面12000N的轴承载荷)都不变。

    基于厚度为4mm时的应力结果值，考虑加雷架壁厚，首先对比雷架应力值随壁厚变化的改变趋势，定义一个整体变量t，即代表雷架抽壳厚度，在进行建模时，就将抽壳特征值设置为该变量。同时在模型树“传感器”栏下方添加2个传感器，即“最大应力值S_max”和“体积V(或质量)”，前者将测试每次仿真后模型的最大应力值，后者则将测试模型的体积(或质量)。最终得到模型最大应力值随壁厚变化趋势如图2所示，可见，最大应力值随着壁厚增加会有所减小，在壁厚为6～7mm之间有一个明显的转折，即当壁厚小于这个范围的时候，随壁厚增加，最大应力值会快速减小，但壁厚超过这个范围，应力改善并不是很明显，因此，考虑将雷架壁厚设置在6～7mm。

    图2 雷架最大应力随壁厚变化趋势曲线