一种锚链轮结构优化方法与流程

本发明涉及锚链轮结构优化
技术领域：
，尤其涉及一种锚链轮结构优化方法。
背景技术：
：当下船舶工业的发展不断朝着“绿色船舶”方向发展，锚绞机作为船舶锚泊系统的重要配套设备，在技术上也向着经济、节能、绿色环保方向发展。而锚链轮作为锚绞机在起锚、抛锚、系泊和带缆时与锚链直接接触的部件，其结构设计的可靠性对于保障锚机以及船舶的安全运行至关重要。传统锚链轮的设计主要依据gb/t3179-1996的标准进行设计，由于缺少较精确的强度计算，往往依靠经验公式，并采用较高的安全系数保证结构的安全性能，使得锚链轮体积庞大，结构笨重，机械传动的效率不高，造成材料和能源的浪费。因此，对锚链轮轻量化技术研究，优化其结构，提高传动效率，将是锚绞机和其他甲板机械未来发展的必然趋势。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种锚链轮结构优化方法，能够解决传统设计锚链轮主要依靠经验公式来设计，缺乏较精确的强度计算，靠采用较高的安全系数来保证其安全性能，使得锚链轮体积过于庞大，结构过于笨重，机械传动的效率不高，造成材料和能源的浪费的问题。为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种锚链轮结构优化方法，其创新点在于：具体优化方法如下：s1：锚链轮模型建立：采用三维软件进行锚链轮的三维建模，去掉螺栓孔及倒角，简化锚链轮模型，并定义锚链轮的材料属性；s2：锚链轮的有限元网格划分：综合考虑计算量及其计算精度，设置单元格大小为40mm，采用自由网格划分方式，进行锚链轮的划分形成多个网格单元和节点，并创建锚链轮有限元网格模型；s3：添加锚链轮载荷和边界条件：锚链轮在工作时简化为只有一个齿与锚链轮啮合，由于锚链轮的受力区域为曲面，难以确定受力的方向，采用在曲面上所受的压力来代替锚链轮和锚链的啮合力；s4：预应力模态分析：s4.1：添加载荷及约束：在s2中创建锚链轮有限元网格模型中对锚链轮受力曲面添加啮合曲面所受的压力，其方向垂直于受力曲面，同时在锚链轮内孔面添加圆柱约束，约束锚链轮径向运动和轴向运动，只允许其周向转动；s4.2：模态求解：通过预应力模态分析系统中，模态分析面板设置模态阶数为前6阶模态，进行求解；得出锚链轮的前三阶模态及后三阶模态，并判断锚链轮动态特性是否满足要求；s5：基于多目标遗传算法的尺寸优化：s5.1：优化模型的建立：锚链轮轮毂的厚度d1、两侧壁的厚度d2、d3为设计变量，锚链轮的最大应力为约束条件，最小化质量为优化目标，构建锚链轮尺寸优化数学模型为：s5.2：尺寸优化：根据建立的锚链轮尺寸优化模型，采用多目标遗传算法优化设计模块对锚链轮进行多目标遗传算法的尺寸优化；具体为：采用种群总数为100，交叉概率和变异率分别设为0.8和0.1，最大迭代次数为40以及最大候选点个数为3；同时设置锚链轮质量函数最小化和一阶频率函数最大化，并约束最大应力小于许用应力值；其优化迭代过程以pareto解集前沿分布80％的样本收敛，最终经过40次迭代之后得到了一组pareto最优解集；s5.3：瞬态动力学分析：以锚链轮过载时刻为中心，分析过载时刻前后共计0.1s时间内锚链轮所受应力的变化情况；设置锚链轮瞬态分析初始时间载荷步为0.0025s，最小时间和最大时间载荷步分别为0.0025s和0.01s，且计算时间周期为0.1s；并添加一个转动副,在锚链轮上同时给定一个转速，使锚链轮在前半个周期0.05s内迅速加速到1rad/s，并在后半个周期0.05s内保持匀速转动；同时将计算的压力载荷添加到啮合曲面，并确保载荷在0.05s内迅速增加到最大值，在结束时刻减小到0；分析得出锚链轮在过载时刻前后的应力变化情况，并确定最佳优化结构；s6：对比分析：对最佳优化尺寸作圆整化，并将优化后的锚链轮模型再次进行静力学分析和模态分析，分析对比优化前后锚链轮模型各性能参数，验证其优化结构的合理性。进一步的，所述s1中锚链轮的材料属性为：弹性模量为2.11×105mpa，泊松比为0.311，密度为7.83g/cm3；其屈服强度和抗拉强度分别为230mpa和460mpa。本发明的优点在于：1)本发明中针对锚链轮质量轻、动态特性好的设计要求，对锚链轮进行瞬态动力学分析和预应力模态分析，确定了锚链轮的可优化空间，为其减重设计提供了科学的理论依据；在锚链轮原模型力学分析的基础上，建立其结构优化数学模型，利用多目标遗传算法对其进行尺寸优化，确定最优解集，并通过瞬态分析确定优化锚链轮尺寸的最终结构，可以较好的实现了锚链轮减重的目的，同时使锚链轮的强度、动态特性以及抗振性能得到了提高，满足锚链轮设计的经济性与安全性要求，为其他船舶机械辅助设备轻量化设计提供了重要的设计依据。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。图1为本发明的一种锚链轮结构优化方法的流程图。图2为本发明的一种锚链轮结构的锚链轮有限元网络模型。图3为本发明的一种锚链轮结构的锚链轮尺寸与优化分布图。图4为本发明的一种锚链轮结构的锚链轮三组优化方案弹性变形量对比图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。如图1所示的一种锚链轮结构优化方法，具体优化方法如下：s1：锚链轮模型建立：采用三维软件进行锚链轮的三维建模，去掉螺栓孔及倒角，简化锚链轮模型，并定义锚链轮的材料属性；锚链轮的材料属性为：弹性模量为2.11×105mpa，泊松比为0.311，密度为7.83g/cm3；其屈服强度和抗拉强度分别为230mpa和460mpa；s2：锚链轮的有限元网格划分：综合考虑计算量及其计算精度，设置单元格大小为40mm，采用自由网格划分方式，划分网格单元数为79374，节点数为137654，并创建锚链轮有限元网格模型，如图2所示；s3：添加锚链轮载荷和边界条件：锚链轮在工作时简化为只有一个齿与锚链轮啮合，由于锚链轮的受力区域为曲面，难以确定受力的方向，采用在曲面上所受的压力来代替锚链轮和锚链的啮合力；已知过载时刻锚链轮所受拉力为858kn，啮合区域面积为0.0294m2,则啮合曲面所受压力为：s4：预应力模态分析：s4.1：添加载荷及约束：在s2中创建锚链轮有限元网格模型中对锚链轮受力曲面添加啮合曲面所受的压力29.18mpa，其方向垂直于受力曲面，同时在锚链轮内孔面添加圆柱约束，约束锚链轮径向运动和轴向运动，只允许其周向转动；s4.2：模态求解：通过预应力模态分析系统中，模态分析面板设置模态阶数为前6阶模态，进行求解；锚链轮的前三阶模态时其主要振动模态，固有频率在173.65hz到183.61hz之间，而后三阶模态时锚链轮的局部振动模态，固有频率186.30hz以上；远高于链轮轴转动以及齿轮传动的激振频率，不会产生共振，即锚链轮动态特性满足要求。s5：基于多目标遗传算法的尺寸优化：s5.1：优化模型的建立：如图3所示锚链轮轮毂的厚度d1、两侧壁的厚度d2、d3为设计变量，锚链轮的最大应力为约束条件，最小化质量为优化目标，构建锚链轮尺寸优化数学模型为s5.2：尺寸优化：根据建立的锚链轮尺寸优化模型，采用多目标遗传算法优化设计模块对锚链轮进行多目标遗传算法的尺寸优化；具体为：采用种群总数为100，交叉概率和变异率分别设为0.8和0.1，最大迭代次数为40以及最大候选点个数为3；同时设置锚链轮质量函数最小化和一阶频率函数最大化，并约束最大应力小于许用应力值；其优化迭代过程以pareto解集前沿分布80％的样本收敛，最终经过40次迭代之后得到了一组pareto最优解集；并生成三组最合理的优化设计结果；从而得到优化前后三组最优结果的尺寸对比表，其结果如表1所示：方案d1/mmd2/mmd3/mm质量/kg一阶固有频率/hz初始结构1538403652.66173.65优化方案一12.38436.16431.0183543.46249.80优化方案二11.08736.02731.0133538.11248.37优化方案三10.01536.04031.0353534.96247.98从上表1结果可知，三组优化结果的设计变量都在一定的区间内趋于稳定，为了得到最优的优化结果，分别对三组数据重新建模，并将新得到锚链轮模型进行瞬态分析；s5.3：瞬态动力学分析：以锚链轮过载时刻为中心，分析过载时刻前后共计0.1s时间内锚链轮所受应力的变化情况；设置锚链轮瞬态分析初始时间载荷步为0.0025s，最小时间和最大时间载荷步分别为0.0025s和0.01s，且计算时间周期为0.1s；并添加一个转动副,在锚链轮上同时给定一个转速，使锚链轮在前半个周期0.05s内迅速加速到1rad/s，并在后半个周期0.05s内保持匀速转动；同时将计算的压力载荷添加到啮合曲面，并确保载荷在0.05s内迅速增加到最大值，在结束时刻减小到0；分析得出锚链轮在过载时刻前后的应力变化情况，并确定最佳优化结构；如图4所示：由图可知，在0.1s时间内方案三锚链轮的弹性变形量最小，且最大弹性变形量为4.9734e-4mm，所以确定方案三为锚链轮的最佳优化结构。s6：对比分析：对最佳优化尺寸作圆整化，并将优化后的锚链轮模型再次进行静力学分析和模态分析，分析对比优化前后锚链轮模型各性能参数，验证其优化结构的合理性：将方案三的各尺寸作圆整化，即d1＝10mm，d2＝36mm，d3＝31mm，得到优化后的最终结构；添加与优化前相同的边界条件和载荷状况，分析验证优化后锚链轮的动态特性，由分析结果可知，优化后锚链轮最大应力值由原来的130.49mpa增加到134.72mpa，仍在材料的许用应力范围之内；最大位移变形量由原来的15.127mm增加到16.603mm，对锚链轮的刚度影响影响较小；优化后的锚链轮各阶固有频率均有所提高，其中一阶固有频率由原来的173.65hz增加到184.45hz，较好的实现一阶固有频率最大化的目标。如下表2所示：项目质量/kg最大应力/mpa最大变形/mm一阶模态/hz优化前3652.66130.4915.127173.65优化后3533.93134.7216.603184.45变化值118.734.231.47610.80变化率3.25％3.14％9.75％6.22％由表可知，优化后锚链轮的总质量减少了118.73kg，减重率为3.25％；最大等效应力和总位移变形量略有增大；对锚机整体结构的可靠性不会产生影响；优化后的锚链轮固有频率有所提高，远大于链轮轴自身转动以及大小齿轮间传动所产生的激振频率，对整体结构的稳定性不会产生影响。由此可知，基于多目标遗传算法对锚链轮进行轻量化设计达到了预期的理想效果，使锚链轮在满足整体结构强度、刚度的同时达到了到减轻重量的目的，满足轻量化的设计要求。本专利以锚链轮为研究对象，对其进行有限元分析，得到锚链轮原模型的可优化空间，并利用多目标遗传算法对锚链轮进行尺寸优化，得到优化后的锚链轮结构模型；具体得到以下结论：针对锚链轮质量轻、动态特性好的设计要求，对锚链轮进行瞬态动力学分析和预应力模态分析，确定了锚链轮的可优化空间，为其减重设计提供了科学的理论依据。在锚链轮原模型力学分析的基础上，建立其结构优化数学模型，利用多目标遗传算法对其进行尺寸优化，确定最优解集，并通过瞬态分析确定优化锚链轮尺寸的最终结构。通过优化前后锚链轮结构的对比分析可以得出，优化后锚链轮的整体重量减轻了3.25％，较好的实现了锚链轮减重的目的，同时使锚链轮的强度、动态特性以及抗振性能得到了提高，满足锚链轮设计的经济性与安全性要求，为其他船舶机械辅助设备轻量化设计提供了重要的设计依据。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。当前第1页12