ProMECHANICA环境下的管道支架优化设计-【资讯】信号源

发布时间：2021-08-12 07:21:58 阅读：次来源：纸碗厂家

Pro/MECHANICA环境下的管道支架优化设计

随着电子计算机的发展，现代机械设计方法也呈现出多样化，利用先进的CAD/CAE工具对机械系统开展研究已成为一种趋势。Pro/ENGINEER是集CAD/CAM/CAE于一体的大型设计软件，其中CAE常用的模块有Mechanism Design eXtension和Pro/MECHANICA。绝大多数专业分析软件几何建模的功能比较弱，须通过IGES格式或STEP格式进行数据交换，这样往往容易造成数据的丢失而须花费大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。而Pro/MECHANICA能克服这一弱点，它可以直接利用Pro/ENGINEER的几何模型进行有限元分析。由于Pro/ENGINEER具有强大的参数化功能， Pro/MECHANICA就利用参数化工具的优点对几何模型进行灵敏度分析和优化设计，这是Pro/MECHANICA区别其他有限元软件最显著的特征。

一、Pro/MECHANICA环境下的优化设计

2.Pro/MECHANICA Structure模块简介

与其他专业的有限元分析软件一样，Pro/MECHANICA Structure模块可以完成有限元分析和模型的优化设计，它的设计研究种类主要有三种：标准分析、灵敏度分析和优化设计分析。图2为Pro/MECHANICA Structure模块的主菜单。

图2 Pro/MECHANICAStructure模块主菜单

概括的说，Pro/MECHANICA Structure模块的分析任务为两类，第一类为设计验证或设计校核，例如进行设计模型的应力应变检验，和其他有限元分析软件一样，须通过创建几何模型、简化模型、设定单位和材料属性、定义约束、定义载荷、定义分析任务、运行分析、显示评价计算结果这样的工作流程；第二类为模型的设计优化，这是Pro/MECHANICA区别其他有限元软件最显著的特征。它的工作流程如图2所示。现以管道支架为例简述Pro/MECHANICA独特的优化设计功能。

图2 Pro/MECHANICA优化设计工作流程图

2.管道支架的优化设计

管道支架是一种广泛应用于建筑、电力等行业的支撑类零件，对其进行有限元分析和优化设计对实际生产有着重要的指导意义。

几何模型的建立

图3为某管道支架在Pro/E下的三维造型图，主要由中间板、边缘板、中间切槽、左端固定板组成，其左端面固定。由材料力学可知，该支架左端固定板与中间板、边缘板连接面为危险截面，截面上下位置处的点所受应力最大，为危险点。因此分别建立测量点PNT2、PNT2以监测危险点处的应力值。

图3 管道支架三维效果图

设置模型材料属性

该模型所选材料为45钢，其密度为ρ=7.8x223kg/m3，弹性模量E=222GPa，泊松比μ=2.7。根据材料属性，我们选择Pro/MECHANICA Structure模块中材料库中的材料模型steel，然后整理编辑，图4为定义的材料属性表。

图4 管道支架材料属性定义框

约束及载荷的定义

由于管道支架的左端面固定，因此定义约束时将该端面6个自由度完全固定；支架上端面承受管道重量2222N，因此选择载荷分布形式为均布的总载荷，Y轴的分量-2222N，施加在52×222的面域上，如图5所示。

图5 管道支架的约束与载荷

灵敏度分析

在建造模型过程中，设计人员定义了很多设计参数，如目标设计参数、物性参数等，当这些设计参数变化时，必然会对模型性能产生影响，如果这些设计参数都用于优化设计，必然加大计算量。考虑到不同设计参数对模型性能影响的程度不一样，如果能定量地表示这种影响程度，就能确定哪些是重要设计参数，并排除那些影响程度很小的设计参数，从而提高优化设计的效率，这是优化设计时要着重考虑的。而Pro/M的灵敏度分析恰恰提供了这样的定量分析功能，为优化设计高效率提供了保证。

2）局部灵敏度分析

局部灵敏度分析就是定量分析每个设计参数对模型性能影响的程度，从而可以确定哪些参数对模型性能影响最大，即重要设计参数，设计优化时作重点考虑。

在上述的管道支架中，设计参数主要有中间板的长度、宽度、板厚、边缘板的宽度、厚度、中间切槽的长度和宽度等。因此分别对这些参数进行局部灵敏度分析，最后确定对模型最大应力影响最深的重要参数，运行局部灵敏度分析后，图6～22分别为中间板的长度、宽度、厚度、边缘板的宽度、厚度、中间切槽的长度和宽度等7个参数对模型应力影响程度的曲线。从曲线图可以得知，管道支架模型应力对设计参数中间板宽度和板厚的变化最敏感，即中间板宽度和厚度的变化对模型应力影响最大，因此这是优化设计时重点考虑的参数；其他设计参数尺寸的变化对模型最大应力影响不大。

图6 中间板长度对模型应力的影响曲线

图7中间板宽度对模型应力的影响曲线

图8 中间板厚度对模型应力的影响曲线

图9边缘板宽度对模型应力的影响曲线

图22 边缘板厚度对模型应力的影响曲线

图22 中间切槽长度对模型应力的影响曲线

图22 中间切槽宽度对模型应力的影响曲线

2）全局灵敏度分析

全局灵敏度分析就是在局部灵敏度分析出对模型性能影响较大的参数的基础上，为这些重要设计参数确定用于优化设计的变化范围，也就是说全局灵敏度分析能准确地描述模型性能对用于优化设计的重要设计参数的灵敏度，确定其合理的参数变化范围，从而在这些参数的变化范围中寻求最佳设计。

由于在管道支架的局部灵敏度分析中的得出了中间板宽度和厚度对模型应力影响最大的结果，因此分别建立全局灵敏度分析任务，分析运算后准确确定了管道支架模型应力对中间板宽度和厚度尺寸变化的灵敏度如图23、24所示。

图23中间板宽度全局灵敏度分析曲线

图24 中间板厚参数全局灵敏度分析曲线