基于cae动力学分析的转台结构优化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械工程技术领域，具体涉及一种基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法。
【背景技术】
[0002]转台是一种重要的地面测试设备，用于惯性导航系统和惯性元件检定、标定，以及模拟飞行器姿态运动。
[0003]由于转台的特殊地位和广泛的市场需求而受到世界技术发达的国家和发展中国家的普遍重视，美国、俄罗斯、德国、法国、印度、中国、瑞士等国都在转台研制工作上投入了较大的人力和财力。目前我国与世界先进水平的差距主要表现在:(I)对于转台相关技术缺乏深入的研究，因而导致了研制转台的可靠性差，也没有批量生产的能力；(2)转台台体制造工艺及安装方面有待提高。我国工业总体水平的差距限制了转台的技术性能。
[0004]目前转台研制中机械方面的几个关键技术问题:(I)转台的结构研究。目前结构的设计很大程度上仍然取决于经验，而且结构刚度将直接影响整个系统精度是否能够保证，也直接影响到结构谐振频率能否进一步提高，特别是结构谐振频率，对提高转台的动态响应至关重要。结构采取什么样的形式、框架的壁厚、框架内部筋的布置、框架采用什么材料都有待进一步研究。(2)可靠性和稳定性研究。从转台问世以来，不可靠、不稳定性给用户带来诸多麻烦，又因转台的功能越来越复杂，精度越来越高，不稳定不可靠就成为测试设备的一个重大隐患。模块化、标准化、工程化则是解决这个问题的突破口。
[0005]随着惯性导航技术的发展，惯性元件和惯性导航系统精度的不断提高，作为其试验平台的精度及仿真环境也要不断地提高。早年的仿真环境为实验室静态环境，现在则要求转台能够提供振动环境，这就要求转台必须要有很好的静态特性和动态特性才可以在此基础上提供相应的振动。因此，必须对转台系统的静动态特性进行研究。
[0006]有限元法作为力学分析中的数值法，起源于航空工程中的矩阵分析，把一个连续的介质看成是由有限数目的单元组成的集合体。简言之，就是化整为零，积零为整的研究。有限元法是一种先进的，行之有效的方法，具有其他方法无法比拟的优点，如节省投资、缩短研究周期等。
[0007]ANSYS公司是世界著名的CAE技术公司，是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，经过30年的发展，已形成融结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道等各个领域，极强的分析功能涵盖了几乎所有的工程问题。ANSYS软件是第一个通过IS09001质量认证的大型分析设计类软件，是美国工程师协会、美国核安全局及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院17个部位推广使用。
[0008]模态分析作为动力学分析的基础，可以求的模态参数(固有频率、振型)，从而为机械结构的合理设计提供依据。模态分析为今后转台避开共振点附近的设计提供了合理的依据。谐响应分析则求的某一频率下结构的应力应变值，考核在共振情况下是否超过了许用值，同时可以绘制振动伯德图求出振动的衰减及放大率，为转台的振动性能是否达标提供了参考依据，而随机振动分析可以求得结构在开环情况下某一位置处的随机振动情况。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于解决现有振动转台的动静力学设计难题，提供一种基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法。
[0010]本发明是这样实现的:
[0011]—种基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，包括如下步骤:
[0012]第一步:初步确定形状尺寸壁厚布局；
[0013]第二步:转台结构分解；
[0014]第三步:部件初步分析；
[0015]第四步:设计值第一次检验；
[0016]第五步:整体再次分析；
[0017]第六步:设计值第二次检验。
[0018]如上所述的初步确定形状尺寸壁厚布局步骤，根据传统经验设计转台，初步确定其形状尺寸壁厚布局，绘制三维CAD模型图。
[0019]如上所述的转台结构分解步骤，将转台整体结构分解为四大部件。
[0020]如上所述的四大部件具体包括框架、底座、轴系及电机码盘，所述的轴系具体包括轴承、轴承座、轴承压板和轴。
[0021]如上所述的部件初步分析步骤，对第二步设计的转台各个主要部件进行模态分析；对转台各个主要部件进行谐响应分析，提供谐波载荷。
[0022]如上所述的设计值第一次检验步骤，将第三步分析的固有频率及谐响应分析的应力应变值与许用值进行比较，如果不满足要求则更改结构中的薄弱环节，跳转至第一步。
[0023]如上所述的整体再次分析步骤，将转台的三维零件图装配后在CAE中进行振动模态分析、谐响应分析和随机振动分析。
[0024]如上所述的设计值第二次检验步骤，将第五步设计的装配体的固有频率、应力应变值与许用值比较，如果不满足要求则更改装配结构中的薄弱环节，跳转至第一步；如果满足，则完成优化设计。
[0025]本发明的有益效果在于:
[0026]本发明采用CAE动力学分析部分取代传统的经验设计。利用CAE技术对各个模块进行振动分析得到其固有频率和振型，对振型量偏大的位置处采用加强筋或结构变形的方式提高固有频率。利用CAE分析整体模型固有频率、应力应变，找出薄弱环节，通过改变结构尺寸，壁厚等参数使应力应变值满足许用应力值范围内。利用CAE技术对转台整体分析后可以删减冗余的材料部分，这样在不影响使用性能的情况下节约了材料，提高了结构刚性。
【附图说明】
[0027]图1是本发明的一种基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法的流程图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和具体实施例对本发明的一种基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法进行描述:
[0029]如图1所示，一种基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，包括如下步骤:
[0030]第一步:初步确定形状尺寸壁厚布局；
[0031]根据传统经验设计转台，初步确定其形状尺寸壁厚布局等，绘制三维CAD模型图。在本实施例中，初步确定各个零部件的尺寸，形状，壁厚，加强筋布置等。
[0032]第二步:转台结构分解；
[0033]将转台整体结构分解为四大部件，四大部件具体包括框架、底座、轴系及电机码盘，所述的轴系具体包括轴承、轴承座、轴承压板和轴。在本实施例中，将转台主模型分割成如下模块，外框、中框、内框、外轴系、中轴系、内轴系、底座及各个轴系的电机或码盘。
[0034]第三步:部件初步分析；
[0035]通过CAE软件对初始设计的各个主要部件进行如下分析:
[0036]对第二步设计的转台各个主要部件进行模态分析；对转台各个主要部件进行谐响应分析，根据实际使用要求提供已知大小和频率的谐波载荷，如力、压力和强迫位移。
[0037]第四步:设计值第一次检验；
[0038]将第三步分析的固有频率及谐响应分析的应力应变值与许用值进行比较，如果不满足要求则采用现有技术更改结构中的薄弱环节，跳转至第一步。例如，如果固有频率低于许用值或者应力应变值不满足要求时，则可以在薄弱环节处布置加强筋或者更改结构形式。
[0039]第五步:整体再次分析；
[0040]将转台的三维零件图装配后在CAE中进行振动模态分析、谐响应分析和随机振动分析。
[0041]第六步:设计值第二次检验；
[0042]将第五步设计的装配体的固有频率、应力应变值与许用值比较，如果不满足要求则采用现有技术更改装配结构中的薄弱环节，跳转至第一步。如果满足，则完成优化设计。
[0043]本发明采用CAE动力学分析部分取代传统的经验设计。利用CAE技术对各个模块进行振动分析得到其固有频率和振型，对振型量偏大的位置处采用加强筋或结构变形的方式提高固有频率。利用CAE分析整体模型固有频率、应力应变，找出薄弱环节，通过改变结构尺寸，壁厚等参数使应力应变值满足许用应力值范围内。利用CAE技术对转台整体分析后可以删减冗余的材料部分，这样在不影响使用性能的情况下节约了材料，提高了结构刚性。
【主权项】
1.一种基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，包括如下步骤: 第一步:初步确定形状尺寸壁厚布局； 第二步:转台结构分解； 第三步:部件初步分析； 第四步:设计值第一次检验； 第五步:整体再次分析； 第六步:设计值第二次检验。2.根据权利要求1所述的基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，其特征在于:所述的初步确定形状尺寸壁厚布局步骤，根据传统经验设计转台，初步确定其形状尺寸壁厚布局，绘制三维CAD模型图。3.根据权利要求1所述的基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，其特征在于:所述的转台结构分解步骤，将转台整体结构分解为四大部件。4.根据权利要求3所述的基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，其特征在于:所述的四大部件具体包括框架、底座、轴系及电机码盘，所述的轴系具体包括轴承、轴承座、轴承压板和轴。5.根据权利要求1所述的基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，其特征在于:所述的部件初步分析步骤，对第二步设计的转台各个主要部件进行模态分析；对转台各个主要部件进行谐响应分析，提供谐波载荷。6.根据权利要求1所述的基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，其特征在于:所述的设计值第一次检验步骤，将第三步分析的固有频率及谐响应分析的应力应变值与许用值进行比较，如果不满足要求则更改结构中的薄弱环节，跳转至第一步。7.根据权利要求1所述的基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，其特征在于:所述的整体再次分析步骤，将转台的三维零件图装配后在CAE中进行振动模态分析、谐响应分析和随机振动分析。8.根据权利要求1所述的基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，其特征在于:所述的设计值第二次检验步骤，将第五步设计的装配体的固有频率、应力应变值与许用值比较，如果不满足要求则更改装配结构中的薄弱环节，跳转至第一步；如果满足，则完成优化设计。
【专利摘要】本发明属于机械工程技术领域，具体涉及一种基于CAE动力学分析的转台结构优化设计方法，目的在于解决现有振动转台的动静力学设计难题。该方法包括初步确定形状尺寸壁厚布局、转台结构分解、部件初步分析、设计值第一次检验、整体再次分析和设计值第二次检验步骤。本发明采用CAE动力学分析部分取代传统的经验设计。利用CAE技术对各个模块进行振动分析得到其固有频率和振型，对振型量偏大的位置处采用加强筋或结构变形的方式提高固有频率。利用CAE分析整体模型固有频率、应力应变，找出薄弱环节，通过改变结构尺寸，壁厚等参数使应力应变值满足许用应力值范围内。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105574223
【申请号】CN201410635998
【发明人】张俊秀, 张晓飞, 刘均松, 寇淑辉
【申请人】北京航天计量测试技术研究所, 中国运载火箭技术研究院
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2014年11月5日