微压休闲舱加强筋布局优化及轻量化研究.pdf

机械设计与制造208Machinery Design&Manufacture第8 期2023年8 月微压休闲舱加强筋布局优化及轻量化研究胡彪彪,李家春罗珊,阳启航!（1.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550 0 2 5;2.贵州大学外国语学院，贵州贵阳550 0 2 5）摘要：针对现有民用压力舱体存在质量过大，在模拟不同工况时因刚强度不足而发生失效，结构安全性较低的问题，这里以休闲舱结构为研究目标，深入研究其结构的静动态性能。通过构建多目标函数模型并在HyperMesh软件中定义,进行静动态拓扑优化，并获取舱体的单元密度图，分析确定其薄弱区域，同时对休闲舱加强筋结构重新布局并建模；为实现结构轻量化目标，通过构建尺寸优化的函数模型，对各区域加强筋和舱体壁面厚度参数进行优化。优化结果显示：优化后的休闲舱质量减少11.58%，前三阶固有频率分别提高了8.0 6%、8.34%、9.6 8%，最大变形量减少0.6 33mm，最大等效应力降低10.8 MPa,在提高舱体结构安全性的同时实现了一定程度的轻量化。关键词：休闲舱；加强筋结构；拓扑优化；轻量化中图分类号：TH16;TH122文献标识码：AResearch on Stiffener Layout Optimization and Lightweight ofHU Biao-biao,LI Jia-chun,LUO Shan,YANG Qi-hang(1.Department of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guizhou Guiyang 550025,China;2.Department of Foreign Language,Guizhou University,Guizhou Guiyang 550025,China)Abstract:Aiming at the weight and the malfunction,and the insufficient rigidity and strength of existing civil pressure cabinsunder simulated diferent working condition,which reduces structural security,the analysis will test the static and dynamic per-formance of the leisure cabins structure.To obtain the unit density map of the cabin,determine the weak area and re-model theleisure cabin stiffener structure,a multi-objective function model in HyperMesh software is built and topological optimization un-der the static and dynamic loads is individually presented.In order to achieve structural lightweight,build a function model foran optimized size,the parameters of the stiffeners and the thickness of the cabin wall in each area is optimized.After analyzing,itpresents that the first three natural frequencies are increased by 8.06%,8.34%,and 9.68%respectively,the weight of the opti-mized leisure cabin is reduced by 11.58%,the maximum deformation 0.633mm,and the maximum equivalent stress 10.8MPa.Acertain degree of weight reduction is achieved while improving the safety of the cabin structure.Key Words:Leisure Cabin;Stiffener Structure;Topology Optimization;Lightweight文章编号：10 0 1-3997(2 0 2 3)0 8-0 2 0 8-0 6Micro-Pressure Leisure Cabin1前言微压休闲舱是近年来针对国民身体健康和体力恢复等问题从压力舱的基础上诞生的一种休闲体验设备。通过三相风机对舱内环境的加、减压来创造相对压力为56 kPa的正、负微压环境，可以为体验者提供多种不同压力、氧浓度的环境来进行治疗、锻炼和养生。资料显示，低压低氧环境对于三高、哮喘和肥胖等疾病的治疗有非常明显的效果;同时高压氧环境在卒中后抑郁(PSD）、疗突发性聋(SSNHL)等医学疾病的治疗和护理方面有着非常关键的作用2-3。近些年，国内外不少学者致力于舱体结构优化分析方面的研来稿日期：2 0 2 2-0 6-17基金项目：贵州省科技计划项目（黔科合支撑2 0 17 2 0 0 6)；贵州省科技计划项目（黔科合成果2 0 19 4 4 12作者简介：胡彪彪，（1996-）,男，山西吕梁人，硕士研究生，主要研究方向：微压休闲舱设备技术研究及应用；李家春，（197 4-），男，贵州织金人，教授，主要研究方向：机电方面研究究，文献4 使用CAE软件对工况下的舱体进行模态和瞬态响应分析，并以底板体积作为目标函数对底板体积进行了拓扑优化分析；文献5 提出一种带有弧形外挂保护壳的救生舱结构,其抗变形能力相比于传统舱体结构更加优越；文献6 研究了正交加强筋壳构件在轴压和外压作用下的优化设计问题，利用四种不同算法确保最优设计准确对应于全局最小值；文献7 提出采用几何背景网格法进行薄壁结构加强筋布局优化，能够使其分布更加合理化；文献8 采用Pareto/Min-Max多目标优化方法对水下加筋壳体结构进行优化设计，得到加强筋的最佳布局和参数方案；但在压力舱体结构优化设计方面，公开的研究报道非常少见，因此针对第8 期微压休闲舱舱体结构进行优化设计研究。本研究涉及某企业微压休闲舱的一种结构优化设计，利用SolidWorks建立其三维模型，在休闲舱结构满足实况所需的刚度和强度条件下,采用多目标优化方法，通过使用HyperMesh/OptiStruct软件并结合有限元分析的功能，对休闲舱舱体进行结构和尺寸参数优化,为该设备的设计生产提供一些理论依据。2休闲舱体结构设计2.1休闲舱体工作情况分析微压休闲舱工作时，舱内处于恒温模式，且舱体内壁使用一层聚氨酯材料用来保温，因此钢板基本不承受温差变化，故不考虑热力学工况。休闲舱主要模拟低压低氧、低压富氧和高压富氧等环境状况，所以舱体在正常运行中，主要经历静力学和动力学工况。静力学工况：主要是指休闲舱在模拟低压环境时，舱体受到内外的压差载荷，舱内气压为4 4.8 4 kPa，舱外为标准大气压，进行有限元分析时，舱体表面应该模拟承受56 kPa的均布压力。动力学工况：主要是指舱体在模拟压力环境时，舱体壁面受到来自大气的均布压力，同时受风机振动等外部激励影响，可能导致舱体结构产生振动。为保证舱体结构的稳定性，应尽可能提高其低阶固有频率，避免共振现象的产生。2.2休闲舱体加强筋选择和分析舱体模拟压力环境时，内外压力差环境产生的压力垂直均布于壳体表面,所以加强筋一般为弯曲变形，为方便比较选择，应针对抗弯截面系数进行比较。在舱体结构加强方面应用最多的加强筋是：T型加强筋和I型加强筋，如图1所示。b2图12 种不同截面形状的加强筋Fig.1 Two Kinds of Ribs with Different Cross-Sectional Shapes当I型加强筋和T型加强筋具有相同的抗弯截面系数时,前者需要的尺寸关系为h=8.8369,意味着在相同承受强度下，1型比T型加强筋会更多地占用舱内空间。虽然使用T型加强筋会增加焊接工作量，但相同参数下的I型和T型加强筋，后者具有更好的抗弯曲变形效果，故选择使用T型加强筋。2.3休闲舱舱体结构设计及三维建模舱体工作时，会承受内外压差所形成的均布压力，故保证舱体结构的强度和刚度是必要的。按照设计参数，休闲舱体整体尺寸为（4 0 0 0 2 4 0 0 2 4 0 0)mm，加强筋放置于舱体内侧，壳体采用薄壳结构。因为休闲舱属于民用体验舱，故应在保证设计要求的前提下尽可能增加舱内空间，故采用方舱结构，并通过设置横向胡彪彪等：微压休闲舱加强筋布局优化及轻量化研究3.1多目标拓扑优化方法休闲舱的工况主要是模拟不同的压力环境，所以其结构设计必须要保证满足刚度和强度需求，而在此类拓扑问题中，往往把刚度设置为响应去求解，由于柔度的可定义性，从而把最大刚度209和纵向加强筋来减少变形量，提高安全性。为提高分析效率和精度，需要对舱体模型的部分非关键部位进行简化处理。为保证舱体结构的可靠性，在舱体内侧焊接T型加强筋，提高抗变形能力，选择初始参数：壳体选择厚度为10 mm的钢板，为增加舱体结构的稳定性，舱体方向设置16 排环向T型加强筋，俩俪侧面、以及上下面各有9排纵向T型加强筋，T型加强筋高度h,=60mm，b,=10 mm，hz=10mm，b,=50 m m。舱体三维模型，如图2 所示。Fig.2 Three-Dimensional Model of Cabin2.4休闲舱体材料舱体在恒温状态下工作，且舱内外温差不大，所以材料对温度的要求不高。舱体工作时承受内外压力差的均布载荷，故要求材料具有良好的力学性能。综合考虑材料力学性能和性价比等因素,壳体采用Q345R钢板。特性参数，如表1所示。表1材料特性参数Tab.1Material Characteristic Parameters参数材料密度/gcm3弹性模量/CPa泊松比屈服强度/MPa抗拉强度/MPa许用应力/MPa3舱体结构分析与优化(a）舱体模型图(b)简化分析舱段图2 舱体三维模型(510640)189值Q345R7.852060.3345一阶固有频率No.8210机械设计与制造转变为最小柔度问题，强度则通过最大等效应力来考虑。为提高开始舱体优化的精准度，同时避免线性加权法的缺点，固采用折衷规划法10 创建多工况最小柔度目标函数：R,()-Rimimmin R()Rimax-Rimn(=(,2,3,)式中:p一工况数目；一单元密度；一惩罚因子,2;W一工况i的权值；R()一来自结构工况i的柔度函数；RmaxRimin一来自结构工况i下，总柔度的最大值、最小值。在过渡壁和舱体结构柔度拓扑优化中，考虑到舱体结构内外、主舱与过渡舱之间所承受的压差作用力大小不同，考虑工况如下：（1)舱体外壁面承受56 kPa压差载荷，过度室壁面受4 0 kP压力载荷；(2)舱体外壁面和过度室壁面同时受到56 kPa压力载荷；两种工况权值w,应相等。在进行舱体的动态频率拓扑优化时，为了避免分析舱段结构产生共振现象，通常将结构的前三阶频率最大化作为目标函数。但在优化过程中，当某阶固有频率提高时，其他阶固有频率会相应的降低，同时邻近几阶频率之间的顺序可能会对调，会导致目标函数振荡现象的发生。因此，为避免此类问题的出现，固采用平均频率公式!来建立低阶固有频率拓扑优化的目标函数：max()=o+g=(,2,)r式中:()平均频率;一第阶频率；V一给定数值，作用是修正函数；w一i阶频率所占权值，此处取w=1/5；m一需提高固有频率的阶数,此处取m=5。为确保工况下，分析舱段能达到最大刚度和低阶固有频率，结合折衷规划法和平均频率公式，构建出舱体多目标拓扑优化的综合目标函数：minF(式中：8 一柔度目标函数的权重,此处取8=0.6；Pmx?m一频率目标函数的最大值、最小值。为便于分析，选择简化分析舱段作为拓扑优化的模型。把舱壳与加强筋作为整体来分析，选择底面作为非设计区域，而剩余外壁面和过渡舱壁面作为设计区域。基于单元的相对密度作为拓扑设计变量，约束条件：设定体积分数上限0.3，设计区域变形最大不能超过2.5mm，同时必须符合结构强度要求，设计区域内最大等效应力不得超过需用应力18 9MPa。Aug.2023结构多目标函数拓扑优化建立舱体三维模型设置载荷、约束等条件(1)舱体结构工况下动静动态分析确定优化限制条件图3拓扑优化过程Fig.3Topology Optimization Process3.2休闲舱拓扑优化成果与研究本次优化采用Hypermesh中OptiStruct模块的自定义函数功能，输入上述推导的综合目标函数,定义不同工况下的响应,并与函数相关联，最后进行拓扑优化分析。分析得到，休闲舱结构在静态工况下，柔度迭代收敛过程,如图4 所示。-11.15106W;(2)2R,()imin+R,minPmax-PminY结构是否满足要求N基于优化结果重建模型动静态分析结束一柔度1.10106(uu.N)米1.051061.00109.50 x1059.00 x1050246810121416182022选代次数（次）图4 柔度送代收敛曲线Fig.4 Convergence Curve of Flexibility Iteration54(3)5250(H）率源卓48464442400246810121416 182022选代次数（次）图5频率送代曲线Fig.5Frequency Iteration Curve二阶固有频率三阶固有频率No.8Aug.2023由迭代曲线可知，柔度在前三次迭代中迅速下降，之后小范围内波动，最后平稳收敛；舱体结构柔度从1.12 10 下降到0.94 310,减少了15.8 1%，刚度有了一定幅度的提升。在满足约束条件下，对结构的前三阶固有频率进行分析，历经2 2 次迭代计算，休闲舱结构频率优化迭代曲线，如图5所示。由曲线变化可得知，迭代次数达到15次时，前三阶固有频率基本达到收敛。前三阶频率均有提高，且没有出现邻近频率对调引发的震荡现象，具体频率变化，如表2 所示。表2 频率拓扑优化前后对比Tab.2 Comparison Before and AfterFrequencyTopologyOptimization固有频率优化前/Hz第一阶39.31第二阶44.82第三阶49.67在满足刚强度等约束条件下，得到过渡舱壁拓扑优化密度图、分析舱段拓扑优化密度图，如图6 所示。ContourPlotElementDensities(Density)1.000E+008.900E-017.800E-016.700E-015.600E-014.500E-013.400E-012.300E-011.200E-011.000E-02NoResultMax=1.000E+002D246030Min=1.000E-022D97955ContourPlotElementDensities(Density)1.000E+008.900E-017.800E-016.700E-015.600E-014.500E-013.400E-012.300E-011.200E-011.000E-02NoResultMax=1.000E+002D246030Min=1.000E-022D295983ContourPlotElementDensities(Density)1.000E+008.900E-017.800E-016.700E-015.600E-014.500E-013.400E-012.300E-011.200E-011.000E-02NoResultMax=1.000E+002D246030Min=1.000E-022D295983在拓扑优化密度云图中，单元密度高的区域（值趋近于1），需机械设计与制造进行保持或强化；单元密度低的区域（值趋近于0），可合理进行减少或消除。参考图6、图7 的密度云图可知，需重新对舱体加强筋结构进行布局，为方便过渡舱壁面加强筋与舱体加强筋的焊接，舱内纵向加强筋的数目应与过渡舱壁面加强筋的数目相同,都由9根减少为8 根，环向加强筋由16 根变换为15根；同时，为避免局部区域变形严重，合理加装辅助筋，满足其设计要求。3.3休闲舱拓扑优化前后参数对比针对新设计的舱体模型，进行其结构的性能仿真分析，为简化计算提高分析精度，将舱体外壁、过渡舱壁以及全部内加强筋进行抽中面和几何清理、修补，按照薄壳件进行网格的划分，设置网格大小为2 0 mm;对分析舱段底部进行约束，对过渡舱壁、分析优化后/Hz变化率41.74+6.18%47.68+6.38%53.24+7.19%(a)过渡舱壁拓扑优化结果(b)顶壁密度图(c）侧壁密度图图6 分析舱段拓扑优化结果图Fig.6Analysis of the Results of theOptimization of the Cabin Topology211舱段的顶壁及两侧壁施加56 kPa的压力载荷。分析结束后，提取拓扑优化前后的典型云图，如图7、图8 所示。ContourPlotsplacement(Mag)Analysissystem2.552E+002.268E001.985E+001.701E+001,418E001.134E+008.506E-015.671E-012.835E-010.000E+00Max=2.552E+00Grids426769Min=0.000E+D0rids24294ContourPlotEement Stresses(2D&3DvonMises,Max)Analysis system1.600E+021.422E+021.244E+021.067E+028.888E+017.111E+015.333E+013.555E+011.778E+014.845E-04Max=.1.600E-02NOR2D984974.845E-042D384555(c)原结构等效应力图7 过渡壁拓扑优化前后典型云图Fig.7 Typical Cloud Images Before and AfterTransition Wall Topology OptimizationentMag!syste2.872E+00.233E+00.552E+001.914E+001.595E+009.572E-011.276E+006.381E-013.191E-010.000E+002.872E+00+00.744E+051.163E+027.750E+019:688E+015.813E+013.875E+011.938E+01744E-022D:3023370.000E+0069B0(c）原结构等效应力图8 分析舱段拓扑优化前后典型云图Fig.8 Analysis of Typical Cloud DiagramsBefore and After Optimization of Cabin Topology从过渡壁和分析舱段拓扑优化前后的典型云图可知，变形主要分布于过渡舱和主舱壳体的中段位置，而优化之后的结构变形位置较分散些，同时变形量减小。优化后分析舱段的最大变形从ontourPloAnalysissystemacement(Mag)2.082E+001.851E+001.619E+001.388E+001.157E+009,253E-016.940E-014.627E-012.313E-010.000E+00Max2.082E+00ids10226MinE0.000E+00Grids825(a)原结构变形ElementStresses(2D&3DXvonMises.Max)ContourPlotAnalysissystem1,459E+021.297E+021.135E+029.730E+018.108E+016.487E+014.865E+013.244E+011.622E+015.782E-031.459E+022D1175795.782E-032D.193437(d)拓扑优化后等效应力ontourPloacement(Mag)Analysis system2.002E+00.780E+001.557E+001.335E+008.898E-011.112E+006.673E-016.449E-012.224E-010.000E+00Max-2.002E+00MIn-0.000E+00Grids583262s82(a)原结构变形Analysis system.434E+02275E+021.115E+027.966E+019.559E+016.373E+011.780E+013.186E+01.593E+010.000E+00Max=1.434E+022D1101032D:90001000E00(d）拓扑优化后等效应力(b)拓扑优化后变形(b）拓扑优化后变形ses(2D&3DkvonMises,MaxNo.8212机械设计与制造2.872mm减小到2.0 0 2 mm，过渡壁的最大变形从2.552 mm减小到图中：x一舱体加强助筋的厚度；2.082mm，都达到舱体结构局部变形小于2.5mm的要求。主舱的x2一舱体壁面的厚度；最大应力主要分布于舱壁的中段位置和四周圆角处的加强筋上，x3一主舱环形辅助筋的厚度；优化后主舱的最大应力从17 4.4 MPa减小为14 3.4 MPa;而过渡壁x4一主舱肋板辅助筋的厚度；的最大应力主要分布在与舱体连接的区域，优化后其最大应力从x一过渡舱辅助筋的厚度；160.0MPa减小为14 5.9 MPa，都小于舱体结构的许用应力x一过渡壁面的厚度；189MPa,所以休闲舱的结构符合刚强度设计要求。但拓扑优化x一过渡壁加强筋的厚度；后舱体质量从0.7 2 5t减少到0.7 17 t，优化了1.1%，舱体结构轻量x：一过渡壁辅助筋的厚度。化效果不够理想，固需要对舱体的参数进行优化。整个优化过程中，在满足分析舱体实际工况下，将结构质量4休闲舱结构参数优化和变形最小作为目标，同时设置约束：4.1尺寸参数优化(1)结构最大等效应力小于许用应力18 9MPa；为实现舱体的轻量化，优化后的分析舱段模型作为尺寸优化(2)结构固有频率大于fmm=40Hz;模型，通过多目标尺寸优化的方法，分别对主舱、过渡舱和过渡室(3)自变量有合理约束值。壁面以及各加强筋尺寸进行设计，从而得到尺寸的最优值，定义归纳得到本次优化的数学模型为：变量，如图9所示。min m(x)=20.m,(a)q=1s.xx/x(h=,2,.7)g2式中：m（x）一分析舱段质量；m)一分析舱段变形量；w,一q项子目标函数的加权数值；x一厚度变量；一等效应力最大值；(a)主舱侧面、顶面辅助筋分布一固有频率。通过使用HyperMesh中面抽取功能，提取拓扑后的舱体模型中面，并将不同属性赋予舱体各加强筋和壁面，且设置为设计变量。同时在OptiStruct模块中使用函数输人功能，来定义尺寸优化中的目标函数，设置边界约束及函数输出响应，最后通过求解器进行目标函数的计算并收敛，从而解决尺寸优化的问题。4.2优化结果与讨论设计变量为舱体壁面和各加强筋的厚度，尺寸优化过程中(b)过渡舱侧面、顶面辅助筋分布各变量最优值和求解区间，如表3所示。表3各变量最优值、求解区间范围（mm）Tab.3 he Optimal Value of Each Variable andthe Range of Solution Interval(mm)变量X初始值14下限10上限18最优值12利用优化得到的最优值，对舱体的各壁面和各加强筋厚度(c)过渡舱壁面辅助筋分布进行修改，然后通过有限元仿真来对比验证前后结构性能，如图9分析舱段加强筋分布和变量定义Fig.9 Analyze the Distribution of Stiffeners and Variable DefinitionsAug.2023(4)X4610166101420812表4 所示。1412201212816101061481410181416102010No.8Aug.2023结构最大变固有固有频固有频模型形量/mm频率/Hz率/Hz率/Hz分析过渡壁舱段原结构2.8 7 22.55239.3144.8249.67174.4160.00.725拓扑优2.0022.08241.7447.6853.24143.4145.90.717化后尺寸优2.2392.21742.4848.5654.48化后-22.-13.变化率8.06%8.34%9.68%-6.19%-5.56%04%13%由表4 可知，舱体在经历拓扑和尺寸优化后，对比原结构，优化后分析舱段的最大变形从2.8 7 2 mm减小到2.2 39mm，过渡壁的最大变形从2.552 mm减小到2.2 17 mm，分别减少了2 2.0 4%和13.13%；一阶、二阶、三阶结构固有频率分别从原结构的39.31Hz优化到4 2.4 8 Hz，4 4.8 2 H z 优化到4 8.56 Hz，4 9.6 7 H z 优化到54.4 8 Hz，各自提高了8.0 6%、8.34%、9.6 8%；分析舱段的最大等效应力从17 4.4 MPa变化到16 3.6 MPa，减小了6.19%，过渡壁的最大等效应力从16 0.0 MPa变化到151.1MPa，降低了5.56%；原舱体质量为0.7 2 5t，优化后变换为0.6 4 1t，相比减小了11.58%。5结论(1)采用折衷规划法和平均频率法进行静动态多目标函数的构建，以此来进行拓扑优化，获取了同时符合刚度最大和提高低阶固有频率要求的休闲舱结构拓扑，克服了单目标拓扑优化的局限性；依据拓扑优化结果，重新合理安排加强筋的位置和数量，分析后发现虽满足舱体性能的设计要求，但轻量化结果不太理想。(2)为使得舱体轻量化结果理想，需要以变形量和质量最小为前提，对结构参数进行优化，从而获取最优尺寸。分析结果可知，优化后结构质量减轻了11.58%，满足了舱体结构的轻量化需求。(3)仿真分析的结果验证了多目标拓扑优化设计方法在舱体结构设计中的合理可行性，给予同类舱体装备的优化设计一些理论参考。参考文献1崔雨舒,冯馨锐，崔小鹏，等.低压舱治疗多种疾病的研究进展.吉林医药学院学报,2 0 19,4 0(1)：6 1-6 3.(Cui Yu-shu,Feng Xin-rui,Cui Xiao-peng,et al.Research progress inthe treatment of various diseases in low-pressure chambers JJ.Journalof Jilin Medical College,2019,40(1):61-63.)2 Liang Xin-xin,Hao You-guo,Duan Xue-ming,et al.Hyperbaric oxygentherapy for post-stroke depression:A systematic review and meta-anal-机械设计与制造表4 优化前后结果比较ysisJJ.Clinical Neurology and Neurosurgery,2020(195).Tab.4Comparison of Results3胡娅琴,陈红江,熊俊伟,等.高压氧治疗突发性聋的不同治疗方案的Before and After Optimization疗效分析J.临床耳鼻咽喉头颈外科杂志，2 0 2 0,34(6)：52 1-52 3+一阶二阶三阶527.最大等效质量/应力/MPa分析过渡壁舱段163.6151.1 0.641-11.58%213(Hu Ya-qin,Chen Hong-jiang,Xiong Jun-wei,et al.Efficacy 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