基于参数敏感性的拉伸夹具响应面优化.pdf

设计、研究、分析2024年第1 期Design,Research&Analysis基于参数敏感性的拉伸夹具响应面优化陈鑫，寇会贤,刁东明,李品豫，林明明，宁惠君一（河南科技大学土木建筑学院,河南洛阳4 7 1 0 0 0)摘要：针对轻薄型复合材料的力学性能测试中，传统夹具普遍存在加持力不足、试件滑移等问题，创新性地提出了一种新型可定位双夹层拉伸夹具的设计。基于响应面法（RSM），对拉伸夹具的连接结构进行优化设计。分析结果表明：优化前拉伸夹具的最大等效应力位置在外夹固定块与外夹板间的连接结构处，且存在应力集中现象，而整体结构在最佳优化方案下，最大等效应力降低了1 7.2%，最大总变形减少了1 3.6%。通过仿真模拟代替实际试验，能够有效降低生产成本，对拉伸夹具的结构优化设计具有一定参考意义。关键词：拉伸夹具结构参数化响应面法（RSM）优化设计中图分类号：TG751.9Optimization of tensile fixture by response surface method based on parameter sensitivityCHEN Xin,KOU Huixian,DIAO Dongming,LI Pinyu,LIN Mingming,NING HuijunAbstract:In the mechanical performance test of lightweight composite materials,the traditional fixtures commonly suffer frominsufficient clamping force and specimen slippage.To solve the problem,a novel locatable double-layered tensile fixture wasdesigned.Response surface method(RSM)was used to optimize the connecting structure of the tensile fixture.The analysisresults showed that the maximum equivalent stress of the tensile fixture before optimization was located at the connectionstructure between the outer fixing block and the outer plate,and there was stress concentration;in the optimized scheme,+支撑与指导。2)采用仿真分析的手段可以直观地显示目前还不易观测到的、说不清楚的一些现象，容易理解和分析,还可以显示试验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现象,如复杂壳体内部的流动死区、涡流等现象,为提高航空附件产品研发的水平以及科学地指导冲洗试验等方面,具有较强的现实意义。参考文献1姜义尧，胡小舟，孙凯.某型直升机中减速器飞溅润滑流场特性分析J.航空动力学报,2 0 1 8,3 3（1 2）：3 0 3 2-3040.2孙凯,刘少军，胡小舟.基于动网格的中减速器飞溅润滑内部流场分析J.润滑与密封,2 0 1 7,4 2(8)：1 3 1-134.3 刘杰,刘世军,徐文博，等.高速列车齿轮箱润滑性能优化与热平衡温度分析J.机械传动,2 0 1 7,3 6(4)：文献标识码：A文章编号：1 0 0 2-6 8 8 6(2 0 2 4)0 1-0 0 55-0 599-104.4王福军.计算流体动力学分析M.北京：清华大学出版社,2 0 1 7.5 孙丽，黄少青，仲峻峰.基于FLUENT的多回路泵流场数值模拟J.制造技术与机床,2 0 1 0,1 6(1)：7 2-7 3.6张永学，李振林，流体机械内部流动数值模拟方法综述J.流体机械,2 0 0 6,3 4(7):3 4-3 8.7陈黎卿,张栋，陈无畏，基于流固耦合的分动器齿轮两相流动数值模拟与试验J.农业工程学报,2 0 1 4,3 0(4):54-61.8 KVIST T.Splash lubrication simulation using CFDJ.Delivering drive line technologies,2011,11(4):1-17.作者简介：李能（1 9 8 4-），男，贵州贵阳人，专业硕士，工程师，中国航发红林工艺研究所，主要研究方向：流体仿真、壳体加工仿真。收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 855现代械|Xodan MaclineryIXiandai Jixiethe maximum equivalent stress decreased by 17.2%,and the maximum total deformation decreased by 13.6%.By repla-cing the actual test with simulation,the production cost is effectively reduced.The structural optimization design of the tensilefixture has certain reference significance.Keywords:tensile fixture,structure parameterization,response surface method(RSM),optimal design0引言新材料的发展突飞猛进，新型复合材料在各领域起着越来越重要的作用,且随着时代的需求,有着向轻薄型方向发展的趋势。但目前针对轻薄型材料的力学性能拉伸实验中，传统拉伸夹具存在拉伸夹持力不足、试件滑移无法精确定位等问题。对于夹具的结构设计,王霆等人针对万能材料试验机传统拉伸夹具的结构、夹持方式等方面进行改进，研制出一种新型主动式内外夹紧力恒定的夹具。邢承亮2 等人根据金属丝的结构特点设计了专门用于金属丝拉伸性能测试的夹具。目前针对拉伸夹具设计的研究多集中在针对特定试件类型以及特定使用环境3-5。在多学科交叉环境下,计算机仿真的应用在夹具结构优化中成为越来越广泛的应用,张智森6 等人基于UG三维软件进行夹具的实体建模,并利用ANSYS有限元软件对其进行了模态分析，针对夹具的固有频率、振型和响应位移等仿真数据对其缺陷进行了分析，并据此对其进行了结构优化。王亮7 等人通过有限元的方法分析夹具最大变形区位置，在最大变形区附近设计增强结构来减小变形、提高结构刚性。刘伟8 等人设计研发了一款包含可胀心轴、油缸卡爪、气密性检测的全自动化智能卧试加工夹具,并对其进行了理论分析和有限元仿真分析。然而，针对拉伸夹具的优化设计,在结构参数化方面的研究则不足。本文探讨了轻薄型材料在力学性能拉伸试验中,传统拉伸夹具所存在的问题,如拉伸加持力不足、试件滑移、无法精确定位等,并提出了一种双夹层结构拉伸夹具，该夹具具有可定位功能，可以有效解决以上问题。同时，本文还采用了有限元仿真和响应面法（RSM)相结合的方法对拉伸夹具的连接结构进行了优化设计，得到了拉伸夹具结构的最优模型，从而有效降低了结构的等效应力以及总变形。561可定位双夹层拉伸夹具的工作原理从图1 中可以看出，可定位双夹层拉伸装置整体被分成两个部件：外夹装置和内夹装置。外夹装置由外夹固定块、外夹连接头和两个外夹板构成,内夹装置由内夹固定块与两个内夹片构成9 内夹组件图1 拉伸夹具总体结构示意图在测试样品的拉力测试中,将外部夹具的外夹连接头连接到测试载荷装置上。在此基础上，将试验样品置于两块内部板片间，并依据内部板片上垂直定位标尺对其被夹持部位的长度进行调节。然后转动内部夹持器的转子，使两块内部夹持器的夹持器闭合，并将试样预先固定。最后，将外部夹持转子转动至两块外部夹持两块内部夹持，在保证试样被夹持后，就可以进行抗拉测试了。2可定位双夹层拉伸夹具的静力学分析2.1简化有限元模型为了降低分析的复杂程度,并减小计算的工作量,对可定位双层拉伸夹具的结构进行了简化1 0,简化结果如图2 所示。2.2拉伸试验仿真模拟在保证计算精度的前提下，本文采用局部网格加密的方式以优化计算时间。在考图2 拉伸夹具简化模型燕尾样外夹组件设计、研究、分析2024年第1期Design,Research&Analysis虑拉伸测试的真实情况时，本文采用了绑定接触来3.1丝结构参数化连接相互焊接的部件,并将相互接触的部分设置为对内夹固定块与内夹板间和外夹固定块与外夹摩擦接触。在内外夹板的配合处,则采用了无分离板之间的连接结构进行参数化建模，具体的优化参接触。此外，对外夹连接头施加了固定约束,并对拉数参见图7、图8。伸试件的下表面施加了竖直向下的10 0 0 N力载荷。同时，本文还对外夹板的表面施加了水平位移约束，以保证夹具加持状态。夹具网格划分以及边界条件设置结果如图3、图4所示。固定支撑B力：10 0 0 N回位移B图3网格划分图4边界条件夹具仿真计算结果如图5、图6 所示。B：静态结构应力美型：等效Von-Mises）应力单位:MPa时间152023/4/2415-2250.583录大445763623827.89919.5611.2228.49445.76682.88347.0452e-6小图5夹具等效应力云图由图可知,夹具整体结构等效应力最大处为外夹固定块与外夹板间的连接结构处,最大应力值为50.583MPa,最大总变形处为外夹板以及连接构件处,总变形值为0.0 0 44 mm。3可定位双夹层拉伸夹具的优化设计根据数值模拟结果，夹具最大等效应力位置在外夹固定块与外夹板间的连接结构处，由于连接结构是整个夹具的主要受力部位,因此,连接结构的设计是否恰当，直接关系到整个夹具的安全与可靠。因此,为了提高连接结构的强度与刚度,应用响应面法对拉伸夹具连接结构进行了优化设计4HL图7 内夹连接结构横截面优化参数AL图8 外夹连接结构横截面优化参数优化变量的原始值以及可变幅度如表1所示。表1连接结构的几何尺寸优化变量原始值上限值下限值内夹横截面下端面长L,/mm63内夹伸出端长Lz/mm3内夹横截面总厚度H,/mm6内夹伸出端厚度H,/mm4B：静态结构外夹横截面下端面长L,/mm总交彩类型：总交形单位：mm时间152023/4/24 14:450.0044048是大0.00401940.0035170.00301460.00251210.00200970.00150730.00100490.000502430小图6 夹具总变形云图69.33.46.64.4100110.0外夹伸出端长L4/mm10外夹横截面总厚度H，/mm7外夹伸出端厚度H4/mm33.2敏感性分析敏感性分析是通过量化的方式,来探讨在有关因子改变时,各主要因子对各因子的作用大小。其本质就是用渐进式的方式,来说明各因子对各因子的影响所产生的影响。主要指数的重要性是由输入与输出的相关性决定的。在有限元分析中,可以利用局域敏感性来衡量输人参数对输出量的影响。为了研究连接结构的8个尺寸参数（表1)对最大等效应力P19和最大总变形量P20的影响,利用斯皮尔曼分级相关系数方法精确计算尺寸参数对目标函数的灵敏度，敏感性分析结果如图9 所示12 由图9 中的部分灵敏度分析结果可知，L4、L、H,、H 4对双夹层拉伸夹具结构的最大等效应力的影响是最显著的。而且在响应点附近,L和L，产生正影响,H，和H4产生负影响,其作用效果从大到小为5756.72.85.43.690.011.09.07.773.32.7现代极械Modern MachineryXiandai JixieL，H，L4 H 4。与此同时,在响应点的局部范围内,对于结构最大总变形,L 和L，的影响程度远大于其余变量，并且作用效果L，L4。100PI-14 P2-L3 P3-H3 P4-H4 P10-H2 P11-L2 P12-H1 P13-L150100PI-1A P2-1L3 P3-H3 P4-H4 P10-H2 P11-12 P12-HI P13-LI50Fd/LX鲁-6 ld504550-100（a）各变量对最大等效应力的敏感性图9各变量敏感性分析结果3.3响应面建立从灵敏性分析可以看出，对双夹层拉伸夹具结构最大等效应力和最大总变形产生影响的主要变量是L4、L、H 4、H 3。所以,为了提高计算效率,只选择上述4个变量作为输人变量，而输出变量不变。图10-图13是在响应面模组中所得到的三维响应曲面,其设计目标随着不同的设计参数而改变。50454090951100P2-L3105110图10 等等效应力随L，和H，变化的响应曲面优化结果3.4在响应曲面优化模块中,以影响连接结构强度的主要因素：外夹横截面下端面长、外夹伸出端长、外夹横截面总厚度、外夹伸出端厚度为设计变量，以结构的最大等效应力和最大总变形的最小值为优化目标，选择MOGA算法进行优化求解，最终得到3组候选点，如表2 所示。50-100P19最大等效应力（b）各变量对最大总变形的敏感性77.17.27.57.699.5P20最大总变形图11等效应力随L，和H4变化的响应曲面0.00450.004-9095图12 总变形随L，和H，变化的响应曲面4.44.34.24.1499.5PI-141010.511图13总变形随L和H4变化的响应曲面2.82.933.110.5P4-H43.2111051107.17.27.62.82.933.1P4-H43.2581王霆，王淑琪.成品管材拉伸试验用夹具的设计J.机械工程师,2 0 16(7):7 6-7 7.设计、研究、分析2024年第1期Design,Research&Analysis表2响应面优化结果优化变量候选点1L,/mm109.83L/mm9.61H,/mm7.70H./mm3.27候选点的有限元计算结果如表3所示。表3候选点有限元计算结果优化变量候选点1P19/MPa44.24P20/mm0.0036选取候选点3为最优模型，对比初始模型有限元仿真计算结果可知，优化后的拉伸夹具连接构件的最大等效应力下降了17.2%，最大总变形减少13.6%。4结论通过简化建模和静力学分析，得知可定位双夹层拉伸夹具最大变形和最大等效应力均在外夹固定块与外夹板间的连接结构处，分别为0.0 0 44mm和50.583MPa。为了提高连接结构的强度与刚度,并优化拉伸夹具装置的结构组成，本研究将影响内外夹连接结构强度的主要因素作为变量，以结构的最大等效应力和最大总变形的最小值为优化目标,对拉伸夹具进行参数化建模和响应面优化分析。通过Optimal Space-Filling Design,在该空间上实现了样本点的平均生成,利用神经网络建立了响应面,并应用OMGA算法对8 0 0 0 个原始样本点进行筛选以获取最佳设计点。最终，本研究实现了在拉伸夹具等效应力下降17.2%以及整体变形下降13.6%的优化效果,这一结果具有显著的实际价值,可以有效地节约研发和实验成本。此外，本研究还为多目标夹具设计等领域提供了有益的参考,具有广泛的学术借鉴意义。参考文献候选点2候选点3106.24103.729.829.697.677.693.283.29候选点2候选点342.3441.900.00370.00382邢承亮，白丽娟，孙中华，等.金属丝拉伸夹具的开发及应用J.理化检验（物理分册）,2 0 18,54（1）：2 8-31.3 周龙早,刘杰,刘辉.基于单轴拉伸试验机的双轴拉伸夹具设计与应用J.实验科学与技术,2 0 2 0,18(1):1-5.4孙威，苗以升，司慧佳，等.一种便捷的板材高温拉伸夹具设计J.金属世界,2 0 2 1(4):2 2-2 4.5王艳,林思宇,封勇斌,等一种板材/带材拉伸试验通用夹具的设计与应用J.新技术新工艺,2 0 2 2（3）：32-35.6张智森，陆海桃.某型产品振动试验夹具优化设计J.机械制造与自动化,2 0 15(3：7 7-7 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