基于仿真驱动的机载光电吊舱转接法兰优化设计.pdf

年月第 卷第期无 锡 商 业 职 业 技 术 学 院 学 报 收 稿 日 期：基 金 项 目：江 苏 省 产 学 研 合 作 项 目“宽 温 制 冷 装 备 高 性 能 数 字 样 机 系 统 研 发”（）作 者 简 介：迟 圣 威（），男，山 东 文 登 人，高 级 工 程 师，博 士，研 究 方 向 为 装 备 智 能 设 计 与 性 能 仿 真；颜 孙 棣（），男，浙 江 温 州 人，研 究 方 向 为 机 械 创 新 设 计；芦 敏（），女，江 苏 南 京 人，讲 师，硕 士，研 究 方 向 为 机 械 工 艺 装 备 研 发；许文（），女，陕 西 绥 德 人，副 教 授，硕 士，研 究 方 向 为 机 械 设 计 与 制 造 理 论；（），男，印 度 尼 西 亚中 爪 哇 人，研 究 方 向 为 机 械 制 造 及 自 动 化。基 于 仿 真 驱 动 的 机 载 光 电 吊 舱 转 接 法 兰 优 化 设 计迟 圣 威，颜 孙 棣，芦敏，许文，（无 锡 职 业 技 术 学 院，江 苏 无 锡 ）摘要：无 人 机 光 电 吊 舱 的 本 体 与 机 体 之 间 往 往 需 要 通 过 转 接 法 兰 进 行 组 装，在 机 载 有 效 载 荷 轻 量 化 要求 越 来 越 高 的 今 天，转 接 法 兰 在 减 重 的 同 时 自 身 结 构 性 能 也 不 能 对 光 电 吊 舱 性 能 造 成 影 响。充 分 考 虑 工程 设 计 中 的 实 际 情 况，基 于 平 台 中 模 块 进 行 转 接 法 兰 参 数 化 建 模，随后 在 静 强 度 分 析 基 础 上 进 行 响 应 面 优 化 和 拓 扑 优 化，从 尺 寸 和 构 型 两 个 角 度 得 到 优 化 后 的 候 选 模 型，经 综合 分 析 后 在 设 计 软 件 中 进 一 步 进 行 可 制 造 修 正，最 终 得 到 转 接 法 兰 的 数 字 样 机 模 型。该 方 法 可 以 在 工 程实 践 中 指 导 光 电 吊 舱 转 接 法 兰 的 优 化 设 计。关 键 词：光 电 吊 舱；转 接 法 兰；响 应 面 方 法；多 目 标 优 化；拓 扑 优 化中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）犆 犺犻 犛 犺 犲 狀 犵 狑 犲 犻，犢 犪 狀 犛 狌 狀 犱犻，犔 狌 犕 犻狀，犡 狌 犠 犲 狀，犚 狅 狀 狀犻 犜犖 狌 犵 狉 狅 犺 狅（，）：，：；光 电 吊 舱 作 为 无 人 机 的 有 效 载 荷，不 仅 应 用在 跟 踪、瞄 准 和 制 导 等 军 用 领 域，同 时 也 应 用 在 航拍 摄 像、森 林 救 火、水 域 搜 救、执 法 取 证 等 民 用 和警 用 领 域。特 别 是 微 小 型 光 电 吊 舱 不 断 普 及 ，使 光 电 吊 舱 的 搭 载 平 台 越 来 越 丰 富，应 用 领 域 越发 广 泛。光 电 吊 舱 在 无 人 机 上 的 安 装 方 式 有 吊装、座 装 和 侧 装 等 多 种 形 式，其 中 在 无 人 机 机 腹 下方 的 吊 装 方 式 最 为 常 见。由 于 无 人 机 和 光 电 吊 舱种 类 繁 多，其 机 械 接 口 很 难 做 到 完 全 统 一，所 以 两者 之 间 往 往 需 要 通 过 转 接 法 兰 进 行 过 渡。转 接 法兰 的 设 计 不 仅 需 要 满 足 连 接 安 装 的 基 本 要 求，还需 要 确 保 其 自 身 的 结 构 性 能 不 会 对 光 电 吊 舱 的 整体 性 能 产 生 不 利 影 响，即 法 兰 的 静 刚 度 和 动 刚 度要 满 足 结 构 性 能 要 求，同 时 法 兰 还 要 满 足 航 空 领域 日 益 严 格 的 轻 量 化 要 求。目 前，光 电 吊 舱 工 装设 计 得 到 越 来 越 多 学 者 的 重 视 。传 统 的 连 接工 装 设 计 方 法 是 经 验 法，即 依 托 工 程 师 自 身 的 设计 经 验 来 确 定 法 兰 的 厚 度 以 及 减 重 槽 的 位 置 和 大小 等 设 计 参 数。采 用 实 物 验 证 法 或 有 限 元 法 来 比对 不 同 的 设 计 方 案，前 者 成 本 代 价 大，后 者 时 间长、效 率 低，因 此 通 过 这 两 种 手 段 得 到 的 设 计 方 案往 往 不 是 全 局 最 优 方 案，而 采 用 优 化 后 的 设 计 方法 则 能 很 好 地 解 决 减 重 设 计 问 题。本 研 究 挂 飞的 无 人 机 为 四 旋 翼 无 人 机，因 为 采 用 电 驱 动 方 式，所 以 振 动 环 境 良 好，也 没 有 过 载 应 用 场 景，只 在 转接 法 兰 静 态 特 性 基 础 上 进 行 优 化 设 计。一、转 接 法 兰 优 化 设 计 流 程传 统 的 转 接 法 兰 优 化 设 计 流 程 往 往 是 在 静 强度 分 析 的 基 础 上，首 先 进 行 拓 扑 优 化 确 定 构 型，再进 行 尺 寸 优 化。从 逻 辑 角 度 看，这 样 的 优 化 设 计流 程 最 合 理，但 在 工 程 中 往 往 并 不 严 格 遵 循 这 样的 顺 序。按 工 程 师 的 设 计 习 惯，首 先 会 进 行 多 目标 约 束 下 的 尺 寸 优 化，然 后 在 此 基 础 上 进 行 拓 扑优 化，或 者 干 脆 独 立 进 行 多 目 标 尺 寸 优 化 和 拓 扑优 化，再 将 两 者 的 优 化 结 果 进 行 叠 加。这 样 的 顺序 更 符 合 工 程 类 产 品 的 设 计 现 状，原 因 如 下：（）从 制 造 顺 序 的 角 度 出 发，一 般 需 要 先 确 定 厚 度 信息 和 平 面 尺 寸 的 范 围，以 此 来 选 择 合 适 的 毛 坯 型材，再 通 过 拓 扑 优 化 来 确 定 零 件 的 轻 量 化 结 构，以此 确 定 加 工 工 艺；（）大 部 分 结 构 设 计 需 要 保 证 足够 的 安 全 裕 度，所 以 设 计 域 较 宽，工 程 设 计 人 员 能够 根 据 产 品 特 点 灵 活 安 排 优 化 次 序。本 研 究 的 优 化 设 计 过 程 有个 环 节：（）根据 转 接 法 兰 要 实 现 的 连 接 功 能 设 计 初 始 模 型，并进 行 应 力 和 变 形 评 估；（）进 行 尺 寸 多 目 标 优 化和 构 型 拓 扑 优 化，实 现 整 体 结 构 的 优 化 过 程；（）将 优 化 的 结 果 进 行 可 制 造 性 修 正；（）形 成 可 用于 加 工 制 造 的 最 终 数 字 样 机 模 型。具 体 过 程 如 图所 示。图 基 于 仿 真 驱 动 的 转 接 法 兰 优 化 设 计 全 流 程 二、静 强 度 分 析静 强 度 分 析 是 优 化 设 计 的 基 础。在 协 同 设 计 平 台 中，利 用 几 何 模 块 建 立 转 接 法 兰 初 始 数 字 样 机 模型。在 拉 伸 和 草 图 环 节 中 选 取 厚 度、外 圆 直 径、内圆 直 径个 参 数 作 为 设 计 参 数。打 开 模 块，首 先 划 分 有 限 元 网 格，利 用 命 令流 选 择 单 元 类 型。划 分 网 格 时，设 置 全 局 单 元 尺寸 为 ，通 过 命 令 流 方 法 将 单 元 类 型 设 置 为节 点 的 单 元，这 样 既 能 保 证 网 格 密 度，又能 缩 小 计 算 规 模。最 终 单 元 数 量 为 ，节 点数 量 为 ，具 体 如 图所 示。图 转 接 法 兰 参 数 化 建 模 与 网 格 生 成 随 后，在 设 置 中 定 义 边 界 条 件 和 载 荷 条 件。转 接 法 兰 外 侧个 的 螺 纹 孔 是 四 旋 翼 无 人 机的 安 装 接 口，内 侧个 的 螺 纹 孔 是 光 电 吊 舱第期 迟 圣 威，颜 孙 棣，芦 敏，许 文，：基 于 仿 真 驱 动 的 机 载 光 电 吊 舱 转 接 法 兰 优 化 设 计 的 安 装 接 口。为 此，将 转 接 法 兰 与 无 人 机 平 台 连接 的 孔 定 义 为 固 定 约 束，将 光 电 吊 舱 定 义 为 集 中质 量 点，通 过 与 其 连 接 孔 表 面 建 立 接 触 来模 拟 装 配 关 系。光 电 吊 舱 的 重 量 为 ，重 心 位置 为 安 装 面 向 下 ，具 体 设 置 如 图所 示。转 接 法 兰 材 料 为 铝 合 金，密 度 为 ，泊 松比 为 ，杨 氏 模 量 为 ，屈 服 强 度 为 。根 据 载 机 平 台 的 特 点，只 需 考 虑 最 简单 的 重 力 载 荷 情 况，对 整 个 零 件 施 加 方 向 的重 力 载 荷。进 入 求 解 模 块，求 解 该 静 力 学 问 题，静力 学 方 程 如 下：犓 犝犌（）式（）中，犓为 结 构 刚 度 矩 阵，犝为 结 构 位 移向 量，犌为 结 构 重 力 载 荷 向 量。图 转 接 法 兰 接 口 与 载 荷 边 界 条 件 设 置 对 转 接 法 兰 的 仿 真 结 果 进 行 后 处 理，选 取 最大 变 形 量 与 最 大 等 效 应 力 两 种 典 型 结 果。其 中，最 大 位 移 约 为 ，等 效 应 力 极 大 值 为 ，远 小 于 材 料 的 屈 服 强 度。由 于 转 接法 兰 安 装 基 面 的 变 形 量 也 是 影 响 光 电 吊 舱 定 位 精度 的 因 素 之 一，本 研 究 将 最 大 变 形 量 与 最 大 等 效应 力 作 为 目 标 变 量。三、响 应 面 优 化响 应 面 优 化 方 法 是 在 给 定 设 计 变 量 和 目 标 变量 的 基 础 上 进 行 实 验 设 计，构 建 实 验 点，建 立 设 计变 量 和 目 标 变 量 之 间 的 函 数 关 系，进 一 步 选 择 合适 的 方 法 拟 合 响 应 面 并 得 到 响 应 面 模 型，然 后 通过 多 目 标 遗 传 算 法 来 获 取 帕 累 托 最 优 解 集 的 过程 。本 研 究 选 择 转 接 法 兰 的 厚 度、外 径、内 径个 设 计 变 量，变 形 量 与 等 效 应 力个 目 标 变 量，并 确 定 设 计 变 量 的 变 化 范 围，如 表所 示。表 设 计 变 量 变 化 范 围变 量 名 称变 量 符 号初 值（）变 化 范 围（）厚 度犘 外 径犘 内 径犘 对 变 量 进 行 实 验 设 计，采 用 中 心 复 合 设 计 方法（），计 算 得 出 组 样 本 点 数 据，如 表所示，然 后 在 此 基 础 上 进 行 响 应 面 分 析。表 样 本 点 数 据变 量 编 号犘厚 度（）犘外 径（）犘内 径（）犘最 大 变 量（）犘最 大 等 效 应 力（）无 锡 商 业 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷 协 同 设 计 平 台 有 多 种 响应 面 拟 合 方 法，本 研 究 选 用 的 是 遗 传 聚 合（）方 法，最 终 得 到 的 响 应 面如 图所 示。从 图中 可 以 看 出，法 兰 厚 度 对 最大 变 形 量 的 影 响 远 大 于 对 法 兰 内 径 和 外 径 的 影响。图为 灵 敏 度 分 析 直 方 图，它 显 示 了个 变量（厚 度、外 径 和 内 径）数 值 的 改 变 对个 输 出 参数（最 大 变 形 量 与 最 大 等 效 应 力）数 值 的 影 响。从图中 可 以 看 出，内 外 径 对 最 大 变 形 量 的 影 响 远小 于 厚 度，同 时 厚 度 和 内 径 对 最 大 等 效 应 力 的 影响 比 较 显 著。（）法 兰 厚 度、内 径 对 最 大 变 形 量 的 影 响（）法 兰 厚 度、外 径 对 最 大 变 形 量 的 影 响图 转 接 法 兰 的 响 应 曲 面图 灵 敏 度 分 析 直 方 图 采 用 多 目 标 遗 传 算 法（）来 实 现 对 法兰 尺 寸 的 多 目 标 优 化，该 算 法 支 持 多 个 目 标 和 约束 条 件，旨 在 寻 找 全 局 最 优 解。多 目 标 优 化 模型 如 下：犲狇 犝 （）狋 ；犇 ；犇 式（）中，犲狇为 等 效 应 力，犝 为 最 大 变 形 量，狋为 法 兰 厚 度，犇为 法 兰 内 径，犇为 法 兰 外 径。初 始 样 本 数 量 为 个，每 次 迭 代 样 本 数 为 个。经 过 次 迭 代 后，目 标 函 数 收 敛，得 到组 候 选 点，如 表所 示。这组 候 选 点 的 数 据 圆整 后 都 比 较 接 近，所 以 将 对 应 的 变 量 圆 整 为 便 于加 工 的 尺 寸，即 厚 度、内 径、外 径 的 加 工 尺 寸 分 别为 、，此 时 法 兰 总 质 量 已经 减 少 了 。表 多 目 标 优 化 结 果变 量候 选 点候 选 点候 选 点厚 度（）外 径（）内 径（）四、拓 扑 优 化 与 可 制 造 性 修 正拓 扑 优 化 是 一 种 在 零 件 结 构 上 保 留 或 去 除 材料 的 方 法，即 在 给 定 边 界 约 束 和 载 荷 条 件 的 结 构设 计 域 内，寻 找 实 体 材 料 的 分 布。该 方 法 在轻 量 化 设 计 中 已 经 得 到 非 常 广 泛 的 应 用。首先，将 静 力 学 分 析 的 结 果 传 递 到 拓 扑 优 化 模 块，定义 模 型 的 优 化 区 域 和 非 优 化 区 域。其 中，模 型 中的 孔 位 是 安 装 和 连 接 区 域，不 能 作 为 优 化 区 域；法兰 内 外 侧 壁 优 化 出 的 孔 洞 会 大 幅 度 提 升 加 工 难度，因 此 也 将 其 作 为 非 优 化 区 域；其 他 区 域 皆 为 优化 区 域。目 标 函 数 为 柔 顺 度 最 小（确 保 最 大 刚度），响 应 约 束 为 质 量 约 束，要 求 去 除 材 料 的 质 量不 超 过 原 始 质 量 的 。优 化 过 程 采 用 当 下 流行 的 变 密 度 方 法，优 化 模 型 如 下：（，狀）犆（）犿犳犿 式（）中，表 示 有 限 元 单 元 密 度 向 量，它 是拓 扑 优 化 中 的 设 计 变 量；狀表 示 有 限 元 模 型 的 单元 个 数；犆表 示 柔 顺 度 向 量；犿犳表 示 优 化 后 的 最终 质 量；犿狅表 示 优 化 前 的 原 始 质 量。经 过 次的 优 化 迭 代，得 到 收 敛 的 优 化 结 果 如 图所 示。从 图中 可 以 看 出，小 变 形 区 域 去 除 的 材 料 较 多，而 大 变 形 区 域 去 除 的 材 料 较 少。原 始 优 化 模 型 中 质 量 为 （为 原 始 质量 的 ），其 去 除 材 料 位 置 和 以 往 按 经 验 设计 时 的 减 重 通 槽 位 置 接 近，如 图所 示。将 拓 扑第期 迟 圣 威，颜 孙 棣，芦 敏，许 文，：基 于 仿 真 驱 动 的 机 载 光 电 吊 舱 转 接 法 兰 优 化 设 计 优 化 的 结 果 用 文 件 格 式 导 出，导 入 设 计 软 件，对 转 接 法 兰 原 始 优 化 模 型 中 的去 除 材 料 区 域 进 行 修 复，获 得 可 应 用 于 加 工 的 数字 样 机 模 型。此 时 质 量 为 ，达 到 从 构 型角 度 的 减 重 效 果，质 量 约 为 原 始 质 量 的 。在模 型 上 进 一 步 叠 加 尺 寸 优 化 的 减 重 效 果，可 测 得最 终 模 型 的 质 量 为 。图 拓 扑 优 化 原 始 结 果图 可 制 造 性 修 正 着 眼 于 工 程 实 践 而 进 行 的 可 制 造 性 设 计 流 程有 较 大 优 势。虽 然 直 接 在 协调 设 计 平 台 的 几 何 模 块 中 处 理 拓 扑优 化 模 型 是 标 准 操 作，优 化 结 果 更 为 精 确，但 和 在有 限 元 软 件 中 做 前 处 理 类 似，其 操 作 比 较 烦 琐 且需 要 一 定 的 技 巧，而 且 对 这 样 的 原 始 优 化 模 型 进行 修 复，并 不 能 直 接 应 用 于 加 工 制 造。设 计 软 件的 操 作 更 为 便 捷，可 以 按 照 工 程 师 习 惯，先 根 据 尺寸 优 化 的 结 果 修 正 模 型 的 尺 寸，再 按 拓 扑 优 化 所得 到 的 原 始 优 化 构 型 合 理 设 置 规 则 的 减 重 区 域，能 够 更 好 满 足 工 程 设 计 中 快 捷 与 便 利 的 要 求。五、结 论本 研 究 建 立 了 适 用 于 工 程 实 践 的 转 接 法 兰 优化 设 计 流 程，通 过 以 上 分 析 可 以 得 出 以 下 结 论：（）在 设 计 空 间 较 为 充 裕 的 条 件 下，转 接 法 兰 可 以先 进 行 多 目 标 优 化 获 得 最 佳 候 选 尺 寸，再 进 行 拓扑 优 化 获 得 最 佳 候 选 构 型，在 对 获 得 的 结 果 进 行综 合 分 析 后，再 导 入 设 计 软 件 中 进 行 可 制 造 性 修正，最 终 获 得 理 想 的 转 接 法 兰 结 构。这 样 的 流 程更 符 合 工 程 师 习 惯，既 能 降 低 优 化 设 计 的 使 用 门槛，又 能 提 升 便 利 性 和 效 率。（）采 用 优 化 设 计 方法 获 得 的 新 结 构 质 量 仅 为 原 始 结 构 质 量 的 ，在 满 足 性 能 要 求 基 础 上 的 减 重 效 果 明 显。参 考 文 献：蒋 桂 林，许 泽 南，何 科 延一 种 微 型 光 电 吊 舱 结 构 轻量 化 设 计 及 分 析机 械 设 计，（）：尹 远，郑 荣轻 型 光 电 稳 定 平 台 结 构 设 计机 械 设计 与 制 造，（）：李 创，郗 小 鹏，吴 宏 宇，等小 型 光 电 吊 舱 的 模 块 化 结构 设 计机 械 与 电 子，（）：曹 尹 琦，齐 媛，程 刚，等军 用 无 人 机 小 型 光 电 吊 舱 的发 展 和 关 键 技 术飞 航 导 弹，（）：王 鹏 鹏光 电 吊 舱 隔 振 系 统 设 计 及 试 验 研 究长春：中 国 科 学 院 长 春 光 学 精 密 机 械 与 物 理 研 究 所，高?，张 玉 方，刘 宁 宁，等机 载 光 电 吊 舱 垂 向 振 动 工装 设 计电 视 技 术，（）：迟 圣 威，纪 明，朱 镭，等机 载 光 电 吊 舱 轻 量 化 设 计与 评 估 方 法 研 究中 国 航 空 学 会 年（第 三届）中 国 航 空 科 学 技 术 大 会 论 文 集：上 册北 京：中 国科 学 技 术 出 版 社，郭 北 涛，代 国 辉基 于 分 拣 机 械 手爪 的 仿 真 与 优 化山 西 焦 煤 科 技，（）：徐 东 杰，陈 进 建，童 跃 平，等基 于 的 风机 塔 门 强 度 分 析 及 优 化机 械 设 计 与 制 造 工 程，（）：姚 铁 斌基 于 响 应 面 法 的 堆 垛 机 结 构 轻 量 化 研 究湘 潭：湘 潭 大 学，万 菁 昱机 载 光 电 系 统 拓 扑 优 化 技 术 研 究西安：西 安 工 业 大 学，（编 辑：张 雪 梅）无 锡 商 业 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷