一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法与流程

1.本发明涉及陀螺经纬仪控制盒结构设计领域，特别涉及一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法。


背景技术：

2.控制盒是陀螺经纬仪中的重要一部分。当前，在陀螺经纬仪控制盒结构设计过程中大多依靠工程经验对其尺寸进行确定，前期缺少理论分析，导致产品性能达不到预定指标。因此，结构分析及优化陀螺经纬仪控制盒结构设计过程中尤为重要。
3.振动性能和跌落性能是陀螺经纬仪控制盒结构设计中较为关注的两个性能指标。良好的振动性能能够保证控制盒在长距离运输的过程中避开共振频段，降低因振动而引起结构损坏的概率；良好的跌落性能能够保证控制盒在意外跌落后仍能够正常工作。
4.结构优化设计可分为“串行设计”和“并行设计”。“串行设计”，即在优化设计过程中每一步仅考虑一项性能指标，满足一项设计要求后再开展针对另一性能的优化设计。这种设计方法存在以下问题：第一，没有考虑到结构件不同性能之间的耦合关系，优化得出的方案偏保守；第二，优化效率低下，设计周期长。“并行设计”，即在一次优化建模求解过程中考虑多个性能指标。“并行设计”因其设计周期短的优点而被广泛应用于工程设计中，但是，“并行设计”在优化问题建立不恰当时往往会导致计算量过大。
5.除此之外，在以往控制盒结构优化过程中，往往未引入工程约束，导致优化后的方案不能够应用于实际生产制造。


技术实现要素：

6.本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法。
7.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
8.一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.步骤1：利用有限元建模软件构建控制盒的2d有限元模型，并对模型赋予初始厚度尺寸数值；
10.步骤2：利用有限元建模软里的optistruct求解器计算控制盒一阶弯曲模态频率及一阶扭转模态频率；
11.步骤3：确定控制盒材料的cowper-symonds本构模型；
12.步骤4：计算控制盒自由落体接触地面时的速度，构建控制盒跌落模型，并对该跌落问题进行显性分析，求解出控制盒跌落过程中的最大内能和最大形变量；
13.步骤5：以质量最小为目标，以一阶弯曲模态频率、一阶扭转模态频率、控制盒跌落过程中最大内能及最大形变量为约束，以控制盒各部分厚度尺寸为设计变量构建多学科离散优化问题的数学模型；
14.步骤6：利用全局响应面法(grsm)对多学科离散优化问题进行求解，若计算结果收
敛，则得出优化后的控制盒厚度尺寸结果，若计算结果不收敛，则更新控制盒各部分厚度尺寸设计变量，并进行迭代计算，直至找到优化问题收敛；
15.步骤7：对厚度尺寸优化后的控制盒进行跌落分析，求解得出控制盒内各螺钉位置的最大加速度，并确定各螺钉的受力情况；
16.步骤8：对控制盒内螺钉进行受力分析，得出各处螺钉的应力应变云图；
17.步骤9：判断各处螺钉在跌落工况下，各处螺钉最大应力是否大于许用应力；若螺钉的最大应力大于螺钉材料的许用应力，则增大螺钉尺寸，并返回步骤6；若螺钉的最大应力小于螺钉材料的许用应力，则确定优化后控制盒的结构厚度尺寸及控制盒内螺钉尺寸。
18.进一步地，在步骤1中，所述的有限元软件为hypermesh，有限元网格类型以四边形网格为主，单元网格大小控制在5mm；控制盒有限元模型主要由两部分组成：控制盒壳体和后盖；模型的初始厚度尺寸包括：控制盒壳体上的5个厚度尺寸变量，后盖上的1个厚度尺寸变量；赋予初始厚度尺寸时遵循以下公式：
[0019][0020]
式中，x
initial
为设计变量初始厚度尺寸；xu为设计变量的上限值；xd为设计变量的下限值。
[0021]
进一步地，在步骤2中，计算控制盒一阶弯曲模态频率及一阶扭转模态频率时采用兰索士(lanczos)法进行求解；该求解过程在optistruct求解器中进行，求解结果保存在.out文件中；在结果处理时，需要在hyperview中找到一阶弯曲模态振型和一阶扭转模态振型对应的模态阶数，以便优化过程中读取每个优化迭代步的性能改变。
[0022]
进一步地，步骤3中：cowper-symonds本构模型为：
[0023][0024]
式中，σd为动态流动应力；σs为准静态流动应力；为应变率；c和p为拟合参数。对材料进行多次力学性能试验，通过数据拟合得到参数c和p。
[0025]
进一步地，步骤4中控制盒自由落体接触地面时的速度通过以下公式得到：
[0026][0027]
式中，v为控制盒自由落体接触地面时的速度；g为重力加速度；s为下落距离；
[0028]
控制盒跌落模型的条件设置为：地面通过刚性墙进行模拟，控制盒距地面1m，跌落方式为自由落体；
[0029]
控制盒跌落过程中最大内能通过以下公式计算得出：
[0030][0031]
式中，e
inmax
为跌落过程中控制盒最大内能；f为跌落过程中地面的反作用力；s为跌落过程持续的时间；最大变形量直接通过有限元求解器得出。
[0032]
进一步地，步骤5中所述的多学科离散优化问题的数学模型为：
[0033][0034]
式中，m为控制盒质量；x为控制盒各部分厚度尺寸设计变量；{n1,n2,n3,n4,n5,n6......}为厚度尺寸离散变量，即在优化求解过程中厚度设计变量只能从中取值；e
inmax
为跌落过程中控制盒最大内能；为跌落过程中控制盒最大内能的下限；d
max
为跌落过程中控制盒最大形变量；为跌落过程中控制盒最大形变量的上限；f
bend
为控制盒一阶弯曲模态频率；为控制盒一阶弯曲模态频率的下限；f
torsion
为控制盒一阶扭转模态频率；为控制盒一阶扭转模态频率的下限；c和p为cowper-symonds本构模型的拟合值。
[0035]
进一步地，步骤6中，设置最大迭代步数为100；在优化过程中，每一迭代步的控制盒质量m、一阶弯曲模态频率f
bend
和一阶扭转模态频率f
torsion
通过各部分厚度尺寸x、材料弹性模量e0和材料密度ρ0计算而得，该计算过程在optistruct求解器中完成；跌落过程中控制盒最大内能e
inmax
和跌落过程中控制盒最大形变量d
max
通过各部分厚度尺寸x和控制盒材料本构模型中的拟合参数c、p计算而得，该计算过程在lsdyna求解器中完成。
[0036]
进一步地，步骤7中控制盒跌落过程中所受的力通过牛顿第二定律求得，控制盒内部螺钉在跌落过程中所受的力：
[0037]
f＝ma
[0038]
式中，f为各螺钉安装点所受力的大小；a为各螺钉安装点在跌落过程中的最大加速度(各点跌落过程的最大加速度可直接通过lsdyna软件计算得出)；m为螺钉所固定电路板的质量。
[0039]
进一步地，步骤8中控制盒内螺钉采用3d网格进行建模；螺钉受力分析的加载及约束为：步骤7计算所得出的各螺钉受力通过集中力加载到螺钉侧面，约束螺钉底面6个方向上的自由度；计算结果通过hyperview软件进行读取，并从应力应变云图中获取最大应力值。
[0040]
进一步地，步骤9中螺钉强度的判定法则如下：
[0041][0042]
式中，σ
max
为螺钉在跌落过程中产生的最大应力值；[σ]为螺钉材料的屈服极限；n为安全系数，一般取值为1.2～2。
[0043]
本发明具有的优点和积极效果：
[0044]
1、本发明方法通过hypermesh和lsdyna软件联合仿真优化(其中hypermesh中optistruct求解器用于求解结构振动，lsdyna用于求解碰撞模型)，并在优化模型建立过程中将设计变量离散化，最终可得到性能满足使用要求的控制盒尺寸。该方法具有计算量较小、收敛速度快和工程应用性强的优点。
[0045]
2、本发明在对控制盒进行优化设计时同时考虑了控制盒的振动性能及跌落性能，优化后的控制盒在振动性能及碰撞变形方面均有提升，具有较强的工程应用价值。
附图说明
[0046]
图1是本发明实施例提供的一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法的流程示意图；
[0047]
图2是本发明实施例提供的一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法中控制盒有限元模型示意图；
[0048]
图3是本发明实施例提供的一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法中控制盒一阶弯曲模态振型图；
[0049]
图4是本发明实施例提供的一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法中控制盒一阶扭转模态振型图；
[0050]
图5是本发明实施例提供的一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法中控制盒碰撞模型；
[0051]
图6是本发明实施例提供的一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法中螺钉有限元模型；
[0052]
图7是本发明实施例提供的一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法中螺钉受力分析的加载及约束；
[0053]
图8是本发明实施例提供的一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法中螺钉受力分析结果。
具体实施方式
[0054]
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
[0055]
一种陀螺经纬仪控制盒多学科离散优化设计方法，请参见图1-8，其发明点为：包括以下步骤：
[0056]
步骤1：利用有限元建模软件构建控制盒的2d有限元模型，并对其赋予初始厚度尺寸数值。其中，有限元软件采用hypermesh，有限元网格类型以四边形网格为主，原因为：在进行有限元分析前需要对结构进行建模和划网格，二维网格类型存在四边形和三角形两种，采用四边形进行划网格分析，结果更精确。单元网格大小控制在5mm
×
5mm。控制盒壳体中包含5个厚度尺寸变量，控制盒体的5个厚度尺寸变量分别为x1,x3,x4,x5,x6，x1是控制盒体前面板厚度尺寸，x3是控制盒体左面板厚度，x4是控制盒体右面板厚度，x5是控制盒体上面板厚度，x6是控制盒体下面板厚度，后盖包含1个厚度尺寸变量，后盖的厚度尺寸变量为x2，x2是后盖的厚度尺寸。控制盒有限元模型主要由两部分组成：控制盒壳体和后盖。赋予初始厚度尺寸时遵循以下公式：
[0057][0058]
式中，x
initial
为设计变量初始厚度尺寸；xu为设计变量的上限值；xd为设计变量的下限值。
[0059]
步骤2：利用有限元建模软件里的optistruct求解器计算控制盒一阶弯曲模态频率及一阶扭转模态频率；具体的：
[0060]
计算控制盒一阶弯曲模态频率及一阶扭转模态频率时采用兰索士(lanczos)法进行求解。该求解过程在optistruct求解器中进行，求解结果保存在.out文件中。在结果处理时，需要在hyperview中找到一阶弯曲模态振型和一阶扭转模态振型对应的模态阶数，以便优化过程中读取每个优化迭代步的性能改变。
[0061]
步骤3：确定控制盒材料的cowper-symonds本构模型(为公知的模型)；cowper-symonds本构模型为：
[0062][0063]
式中，σd为动态流动应力；σs为准静态流动应力；为应变率；c和p为拟合参数。对材料进行多次力学性能试验，通过数据拟合得到参数c和p。
[0064]
步骤4：计算控制盒自由落体接触地面时的速度，构建控制盒跌落模型，并对该跌落问题进行显性分析，求解出控制盒跌落过程中的最大内能和最大形变量；
[0065]
控制盒自由落体接触地面时的速度通过以下公式得到：
[0066][0067]
式中，v为控制盒1自由落体接触地面2时的速度；g为重力加速度；s为下落距离。在控制盒碰撞模型的建立过程中，接触地面时的速度作为输入条件。
[0068]
控制盒跌落模型的条件设置为：地面通过刚性墙进行模拟，控制盒距地面1m，跌落方式为自由落体。
[0069]
控制盒跌落过程中最大内能通过以下公式计算得出：
[0070][0071]
式中，e
inmax
为跌落过程中控制盒最大内能；f为跌落过程中地面的反作用力；s为跌落过程持续的时间；最大变形量直接通过有限元求解器得出。
[0072]
步骤5：以质量最小为目标，以一阶弯曲模态频率、一阶扭转模态频率、控制盒跌落过程中最大内能及最大形变量为约束，以控制盒各部分厚度尺寸为设计变量构建多学科离散优化问题的数学模型；
[0073]
多学科离散优化问题的数学模型为：
[0074][0075]
式中，m为控制盒质量；x为控制盒各部分厚度尺寸设计变量；{n1,n2,n3,n4,n5,n6......}为厚度尺寸离散变量，即在优化求解过程中厚度设计变量只能从中取值；e
inmax
为跌落过程中控制盒最大内能；为跌落过程中控制盒最大内能的下限；d
max
为跌落过程中控制盒最大形变量；为跌落过程中控制盒最大形变量的上限；f
bend
为控制盒一阶弯曲模态频率；为控制盒一阶弯曲模态频率的下限；f
torsion
为控制盒一阶扭转模态频率；为控制盒一阶扭转模态频率的下限；c和p为cowper-symonds本构模型的拟合值。
[0076]
步骤6：利用全局响应面法(grsm)对多学科离散优化问题进行求解，若计算结果收敛，则得出优化后的控制盒厚度尺寸结果，若计算结果不收敛，则更新控制盒各部分厚度尺寸设计变量x，并进行迭代计算，直至找到优化问题收敛。设置最大优化迭代步数为100，在迭代过程中，每一迭代步的控制盒质量m、一阶弯曲模态频率f
bend
和一阶扭转模态频率f
torsion
通过各部分厚度尺寸x、材料弹性模量e0和材料密度计算而得，该计算过程在optistruct求解器中完成；跌落过程中控制盒最大内能e
inmax
和跌落过程中控制盒最大形变量d
max
通过各部分厚度尺寸x和控制盒材料本构模型中的拟合参数c、p计算而得，该计算过程在lsdyna求解器中完成。通过optistruct求解器求解控制盒一阶扭转模态频率和一阶扭转模态频率的结果在.out文件中读取；通过lsdyna求解器求解的最大内能在文件名为glstat的文件中；跌落过程中控制盒最大形变量通过两个节点的相对位移求得。
[0077]
步骤7：对厚度尺寸优化后的控制盒进行跌落分析，求解得出控制盒内各螺钉位置的最大加速度，并确定各螺钉的受力情况。控制盒跌落过程中所受的力通过牛顿第二定律求得，控制盒内部螺钉在跌落过程中所受的力：
[0078]
f＝ma
[0079]
式中，f为各螺钉安装点所受力的大小；a为各螺钉安装点在跌落过程中的最大加速度(各点跌落过程的最大加速度可直接通过lsdyna软件计算得出)；m为螺钉所固定电路板(电路板是安装在控制盒内的元器件)。
[0080]
步骤8：对控制盒内螺钉进行受力分析，得出各处螺钉的应力应变云图。具体的：控制盒内螺钉采用3d网格进行建模。螺钉受力分析的加载及约束为：步骤7计算所得出的各螺钉受力通过集中力加载到螺钉侧面，约束螺钉底面6个方向上的自由度。计算结果通过hyperview软件进行读取，并从应力应变云图中获取最大应力值。
[0081]
步骤9：判断各处螺钉在跌落工况下，各处螺钉最大应力是否大于许用应力。若螺
钉的最大应力大于螺钉材料的许用应力，则增大螺钉尺寸，并返回步骤6；若螺钉的最大应力小于螺钉材料的许用应力，则确定优化后控制盒的结构厚度尺寸及控制盒内螺钉尺寸。
[0082]
在步骤9中，螺钉强度的判定法则如下：
[0083][0084]
式中，σ
max
为螺钉在跌落过程中产生的最大应力值；[σ]为螺钉材料的屈服极限；n为安全系数，一般取值为1.2～2。
[0085]
实施例：
[0086]
该控制盒有限元模型如附图2所示。控制盒主要由控制盒壳体和后盖组成，其厚度尺寸有6个，请分别说明这6个后端尺寸。赋予初始厚度尺寸时遵循以下公式：
[0087][0088]
式中，x
initial
为设计变量初始厚度尺寸；xu为设计变量的上限值；xd为设计变量的下限值。在本例中，xu取值为2mm，xd取值为7mm，通过计算可得，x
initial
取值为4.5mm。
[0089]
原设计的控制盒总重量为3.38kg，一阶弯曲模态频率为1801hz，一阶扭转模态频率为3905hz。控制盒的材料为d1钢，密度ρ0取值为7.0g/cm3，弹性模量e0取值为206000mpa，根据材料静、动态压缩力学性能实验结果，拟合得到cowper-symonds本构模型中的拟合参数c为45635s-1，拟合参数p为3.21。
[0090]
本例中控制盒跌落高度为1m，重力加速度g取值为9.8m/s2，通过以下公式计算可得出控制盒跌落碰到地面时的速度：
[0091][0092]
控制盒跌落模型的条件设置为：地面通过刚性墙进行模拟，控制盒距地面1m，跌落方式为自由落体。通过lsdyna软件计算可得，原设计的电池盒跌落过程中的最大内能为34787j，跌落过程中控制盒的最大形变量为0.357mm。
[0093]
根据对原设计的控制盒分析结果，确定多学科离散优化问题的数学模型中的参数。跌落过程中控制盒最大内能的下限取值为34787j，跌落过程中控制盒最大形变量的上限取值为0.34mm，控制盒一阶弯曲模态频率的下限取值为1801hz，控制盒一阶扭转模态频率的下限取值为3905hz。控制盒厚度尺寸离散变量取值为{2,2.2,2.2,2.3,2.4,2.5......6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7}。多学科离散优化结果如表1所示。
[0094]
表1多学科离散优化结果
[0095]
设计变量厚度尺寸x15.9mmx24.9mmx33.4mmx44.3mmx52.7mmx63.4mm
[0096]
优化后的控制盒性能改善如表2所示。优化后控制盒质量为3.06kg，相比于初始质量降低了9.5％；优化后控制盒的一阶弯曲模态频率和一阶扭转模态频率基本保持不变；优化后控制盒在跌落过程中的最大内能为36786.5j，相比于初始设计提升了5.7％；优化后控制盒在跌落过程中的最大形变量为0.337mm，相比于初始设计降低了5.6％。优化后的控制盒在总体质量减小的前提下，振动性能和抗跌落性能均有提升。
[0097]
表2优化后的控制盒性能改善
[0098]
性能指标初始数值优化后数值改善百分比质量3.38kg3.06kg-9.5％一阶弯曲模态频率1801hz1802hz+0.056％一阶扭转模态频率3905hz3907hz+0.051％跌落过程最大内能34787j36786.5j+5.7％跌落过程最大形变0.357mm0.337mm-5.6％
[0099]
螺钉的有限元模型如附图6所示。螺钉受力分析的加载及约束如附图7所示，各螺钉受力通过集中力加载到螺钉侧面，约束螺钉底面6个方向上的自由度。
[0100]
螺钉受力分析结果如附图8所示，最大应力为47.58mpa。螺钉材料的屈服极限为113mpa。根据螺钉强度的判定法则，安全系数n取1.8，可得
[0101][0102]
结果显示，螺钉的最大应力小于螺钉材料的许用应力。优化后的控制盒满足设计要求。
[0103]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。