复合材料导管结构设计和有限元优化.pdf

　３８　　　　复合材料导管结构设计和有限元优化　　复合材料导管结构设计和有限元优化　　　　　周晓敏．王观石　　　　　　（江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州３４１０００）　　摘要：导管桨可以有效提高推进效率，相比于金属导管，复合材料导管可以有效地减少导管螺旋桨重量，有利于导管桨的　　　　　工程应用。采用纵、环肋的导管结构设计，克服了复合材料导管刚度较低的缺点。分别以干、湿模态为目标函数．利用ＡＮＳＹＳ　　　　　　有限元软件ＡＰＤＬ优化设计理论，对导管环肋分布位置进行了优化设计，给出了导管的最优结构形式，并比较了一阶干、湿模　　　　　　　　　　　　　　态频率和振型的异同。研究结果表明，复合材料导管一阶湿模态频率约为一阶干模态频率的２５％，但振型特征相差不大；给出　的结构优化设计方法对复合材料导管结构的工程设计具有一定的指导意义。　　　　　　关键词：优化设计；复合材料导管；湿模态　　　　———　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１５）０１００３８０４　　　　　１引言　导管螺旋桨是指在螺旋桨周围加上导流管以增　　　　加推动力作用的构件。利用导流管作用，可以增加　　３０％～３５％推力，是一种船舶常用推进装置。金属导　　管具有质量大、阻尼性能差等缺点，随着复合材料制品大量应用于工程实际¨　　娟Ｊ，为了减轻导管重量、提　　　　　高导管的降噪性能，现今导管大多采用复合材料制　　作而成。　但复合材料与金属材料相比具有刚度较低的缺　　　点，而导管内壁与螺旋桨叶梢的间隙很小，若变形较　　　大，叶梢和导管内壁相撞会影响船舶正常航行，因此　　　具体设计导管时需要尽可能地增加导管刚度，以尽　量减少导管本身的振动和变形。　　　　　由于具体工程结构复杂，需要借助于有限元分　析软件来进行结构分析和优化设计　。　　　　　ＡＰＤＬ是ＡＮＳＹＳＰａｒａｍｅｔｒｉｃＤｅｓｉｇｎＬａｎｇｕａｇｅ的　　　　缩写，即ＡＮＳＹＳ参数化设计语言。利用ＡＰＤＬ可以　实现参数化建模、加载、求解和参数化后处理，从而　　　实现参数化有限元分析的全过程，是优化设计的基　　　　　　础，凡是可以参数化的变量，均可以实现优化设计。　　　　　ＡＮＳＹＳ优化方法是指使单个函数，即目标函数　　在控制条件下达到最小值的一种优化方法。ＡＮＳＹＳ　　　　优化分析有多种优化工具及方法，其中子问题近似　　　法是一种先进的零阶方法，以最小二乘拟合法，通过　　　　　罚函数将受约束的最小化问题转化为无约束问题，　　　　　然后通过罚函数近似进行迭代。ＡＮＳＹＳ优化处理　器根据本次循环提供的优化参数与上次循环的参数　　—　收稿日期：２０１４．０６３０　　　　　基金项目：国家自然科学青年基金项目（５１１０４０６９）　　　　作比较之后，确定该次循环目标函数是否达到最小，　　　　即结果是否最优，如果最优，则完成迭代，否则修正　　设计变量１２，１３］。　　　本文基于具体工程实例，利用ＡＮＳＹＳ参数化设　　　　计语言ＡＰＤＬ，分别以导管在空气中和完全浸入水　　　　中的干模态和湿模态作为目标函数，对导管结构进　　　行了优化设计，并综合两者的优化结果，提出导管的　最优结构形式。　　２导管优化设计　　　　２．１导管模型　　　　　　复合材料导管如图１所示，其长度为０．８ｍ，最　　　　大外径为ｌｍ，其结构分为上、下蒙皮和２６条纵肋、４　条环肋。通过纵肋和环肋的设计可以大大提高复合　　　　　　材料导管的刚度，同时可提高导管的抗冲击性能。　　　导管材料为玻璃纤维增强复合材料，其物理性能如　　　　表１所示。　　　图１导管模型　　　　　　Ｆｉｇ．１ＴｈｅｍｏｄｅｌｏｆＤｕｃｔ　　　　　　　　　　作者简介：周晓敏（１９８８一），女，硕士，助教，主要从事计算力学、结构与强度分析的研究，ｚｈｏｕｘｍｉｍ＠１２６．ｅｏｍ。　　　…　ＦＲＰ／ＣＭ２０；Ｉ５：ＮＯＩｔ　　　２０１５年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　３９　　　表１导管材料参数　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　材料性能　　数值　纵向弹性模量／Ｅ．　横向弹性模量／Ｅ２　剪切模量／Ｇ１２　　剪切模型／Ｇ２３　　　泊松比／ｌ２　　泊松ｔＥ／ｖ２３　密度　　　　　２．２优化设计　　　本文设计了四条环肋，通过优化设计方法确定　　了四条环肋的相对位置而使得导管的刚度最大。为　　　　　　　了尽量减少导管内壁与螺旋桨叶梢的间隙变形，２　号环肋中心与螺旋桨安装中心重合，因此仅需要对　　　　编号为１、３、４的三个环肋的位置进行优化，各参数　　物理意义见表２。　　　　表２设计变量　　　　Ｔａｂｌｅ２Ｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａ　　ｂｌｅ　　在ＡＮＳＹＳ中有多种单元可以用于模拟复合材　料结构¨　　　　　　　　　　　　　　。本文分析中，导管蒙皮选取壳单元　　　　　ＳＨＥＬＬ１８１模拟，分Ｏ。和９Ｏ。两层铺设，０。铺层参考　　　　方向为材料１方向，在ＡＮＳＹＳ中需通过改变单元坐　　　标系来调整材料１方向。　　２．２．１参数化建模　　首先利用导管内、外壁型值生成导管蒙皮型值　　　　线，由型值线绕导管中心旋转生产导管蒙皮，通过旋　　　　转和平移工作平面将导管蒙皮分割生成纵肋和环　　　肋，最终得到导管有限元模型，如图２所示。　　图２导管有限元模型　　　　　　Ｆｉｇ．２ＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆｄｕｃｔ　　　　ＡＮＳＹＳ优化分析最优判断标准是目标函数达　　　　到最小值，而本文导管最优结构要求其一阶模态取　　　　最大。因此在计算时，选取导管一阶模态的相反数　　　　　　作为目标函数，当目标函数最小时，即导管一阶模态　　的相反数最小，也就是一阶模态取最大的情况。　　２．２．２干模态优化设计　　　　通过变化表２所列的三个设计变量，得到导管一　　　　阶干模态最大值，迭代过程如图３所示，三个优化　　　　变量的变化过程如图４所示，优化变量及导管干模　　态基频各值如表３所示。　　　图３干模态基频迭代过程　　　　—　　Ｆｉｇ．３Ｉｔｅｒａｔｉｏｎｏｆｄｒｙｍｏｄａｌｂａｓｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　　　图４优化变量迭代过程　　　　　　　Ｆｉｇ．４Ｉｔｅｒａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｖａｒｉａｂｌｅｓ　　　　表３干模态优化结果　　　　　　　—　Ｔａｂｌｅ３Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｒｙｍｏｄａｌ　基频／Ｈｚ　Ｏ．１０ｏ　Ｏ．１３５　Ｏ．１１９　０．１３５　０．０８２　０．１４６　Ｏ．１１３　０．１４６　０．１２７　０．１２５　０．１１６　Ｏ．１２Ｏ　０．１２０　０．２００　Ｏ．１５８　０．１９３　０．１７０　Ｏ．１８７　０．２２８　Ｏ．１１７　Ｏ．１５９　０．１５７　０．１５６　Ｏ．１３Ｏ　０．１０３　０．１０１　５４．９８　５５．６４　５５．３０　５４．７Ｏ　５４＿８８　５３．９８　５５．１２　５５．５３　５５．４７　５５．６９　５５．６６　５５．６７　５５．６７　ｌ｜　｜　　　　一一㈣嘶９　　２０１５年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　　　　　　图９一阶湿模态振型图　　　　　　　　—　Ｆｉｇ．９Ｔｈｅｆｉｒｓｔｏｒｄｅｒｍｏｄｅｓｈａｐｅｏｆｗｅｔｍｏｄａｌ　　　　　　　由图８、图９可以看出，由于浸入水中后附加质　　　　　　量的影响，干、湿模态的一阶频率相差较大，一阶湿　　　模态频率约为一阶干模态频率的２５％，但一阶干、湿　　　　　　　模态的振型特征相差不大，均表现为导管向四周的　扩张运动。　３结　论　　本文基于具体工程实例，给出一种复合材料导　　　管结构设计的实例，同时给出了利用ＡＮＳＹＳ参数化　　设计语言ＡＰＤＬ的优化设计方法，对复合材料导管　的工程应用设计具有指导意义。　　　　本文分别以干、湿模态作为目标函数对导管结　　　　　　构进行了优化设计，并综合两者的优化结果，提出了　　　导管的最优结构形式；同时，比较了干、湿模态频率　　　　和振型的异同：由浸入水中后附加质量的影响，干、　　　湿模态的一阶频率相差较大，一阶湿模态频率约为一　　　阶干模态频率的２５％，但一阶干、湿模态的振型特　　　征相差不大，均表现为导管向四周的扩张运动。　参考文献　　　　　　［１］蒋鞠慧，陈敬菊．复合材料在轨道交通上的应用与发展［Ｊ］．玻　—　璃钢／复合材料，２００９，２０９（６）：８１８５．　　　　　　　［２］李涛，高兴，商伟辉，张淑萍．船舶用复合材料的性能研究［Ｊ］．　　—　玻璃钢／复合材料，２０１１，２１７（２）：３２３５．　　　　　　［３］施军，黄卓．复合材料在海洋船舶中的应用［ｃ］．第十九届玻璃　　钢／复合材料学术交流会论文集，２０１２．１１．１５．　　　　　［４］李江涛，罗凯，曹明法．复合材料及其在舰船中应用的最新进展　—　［Ｊ］．船舶，２０１３，２４（１）：１０１６．　　　　　　　　　　［５］司卫华．船舶复合材料国外最新进展［Ｊ］．塑料工业，２０１１，３９—　（６）：１７．　［６］杨传勇．小型船舶复合材料螺旋桨的设计与分析［Ｄ］．大连：大　　连海事大学，２００５．　　　　　　　［７］高会焕．纤维增强材料风机叶片发展概述［Ｊ］．玻璃钢／复合材　料，２００９，２０７（４）：１０４・１０８．　　　　　［８］蒋凌澜，陈阳．树脂复合材料在航天飞行器气动热防护上的应用　研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，（７）：７８・８４．　　　　　　　［９］董文武，王鹏飞，李杨，何克彬．受内压复合材料压力容器最佳预　—　紧力有限元分析ｆＪ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，（７）：３３３６．　　　　　　　［１０］谢桂兰，赵锦枭，田杰，吴涛．均匀化有限元法预测复合材料层　　　　　　　　　合板宏观有效弹性性能［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，（７）：—　２３２７．　　　　　　［１１］杨乐，朱涛，杨喜军，刘洪城．基于ＡＮＳＹＳ的复合材料壳体封头　　　　　　　　　内压变形数值模拟分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，（６）：　１２．１５．　　　　　［１２］刘涛，杨凤鹏．精通ＡＮＳＹＳ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．　　　　　　　　　［１３］尚晓江，邱峰．ＡＮＳＹＳ结构有限元高级分析方法与范例应用　　　　［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００５．　［１４］陈烈民，杨宝宁．复合材料的力学分析［Ｍ］．北京：中国科学技　　　术出版社，２００８．　　　　　［１５］苏海东，黄玉盈，陈琴．片状域流场中三维结构的湿频率和湿模　　　　态［Ｊ］．华中科技大学学报，２００７，３５（１）：１２１．１２４．　　　　’　　　　　　　’　　ＴＨＥＳＴＲＵＣＴＵｌｌＥＤＥＳＩＧＮＩＮＧＡＮＤＩＥＭＯＰＴＩＭＩＺＡＴ１０Ｎ０ＦＣ０ＭＰｏＳＩＩＥＤＵＣＴ　—　　　　—　ＺＨＯＵＸｉａｏｍｉｎ，ＷＡＮＧＧｕａｎｓｈｉ　　（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａ　　　　　　　　　　ｌａｎｄＳｕｒｖｅｙｉｎｇ＆ＭａｐｐｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　　Ｇａｎｚｈｏｕ３４１０００，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｃｔｐｒｏｐｅｌｌｅｒｃａｎｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｐｒｏｐｕｌｓｉｖｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｏｔｈｅｍｅｔａｌｄｕｃｔｓ，ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｄｕｃｔｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｄｕｃｔｐｒｏｐｅｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｒｉｔｉｃａｌｆｏｒｔｈｅｕｓｅｏｆｄｕｃｔｐｒｏｐｅｌｌｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｆｒｉｎｇｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌａｎｄｒｉｎｇｒｉｂｓ，ｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄｕｃｔｓｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃｏｕｌｄｂｅｏｖｅｒｃｏｍｅ．Ｂａｓｅｄ　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｏｎｔｈｅＡＮＳＹＳＡＰＤＬｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙ，ｔｗｏｂｅｓｔｄｕｃｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｇｉｖｅｎｗｉｔｈｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｒｕｎｅ　　　　　　　　　　　　—　ｔｉｏｎｓｏｆｄｒｙａｎｄｗｅｔｍｏｄａｌｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅｂｅｓｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓｂｅｅｎｐｒｅｓｅｎｔ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｉｅｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｄｒｙａｎｄｗｅｔｍｏｄａｌｆｅａｔｕｒｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｎａｔｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｍｏｄｅｓｈａｐｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ　　　　ｔｈａｔｔｈｅｆｉｒｓｔｎａｔｕｒｅｆ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｗｅｔｍｏｄａｌｉｓａｂｏｕｔｏｎｅｑｕａｒｔｅｒｏｆｔｈｅｄｒｙＳｖａｌｕｅ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｍｏｄｅｓｈａｐｅｓａｒｅａｌｍｏｓｔ　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｔｈｅｓａｍｅ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄｕｃｔａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｄｉｒｅｃｔｉｖｅｍｅａｎｉｎｇｔｏｔｈｅｅｎｇｉ　　ｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎ．　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄｕｃｔ；ｗｅｔｍｏｄｅ　　一　０　　　；啦　　　（ｇ　　　５・　　＊　　班