冲击载荷下弹射座椅的结构优化设计方法研究高永亮.pdf

1、2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集-1-冲击载荷下弹射座椅的结构优化设计方法研究冲击载荷下弹射座椅的结构优化设计方法研究 高永亮，吴立言，贺朝霞高永亮，吴立言，贺朝霞 西北工业大学 机电工程学院 联系地址：西安市西北工业大学 1061#2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集-2-冲击载荷下弹射座椅的结构优化设计方法研究冲击载荷下弹射座椅的结构优化设计方法研究 Research on method of structure optimization design under impacting loads for the ejection seat 高永亮，吴立言，贺

2、朝霞（西北工业大学 机电工程学院 陕西，西安 710072）摘摘 要要:运用动载系数将冲击载荷转化为拟动态载荷，在此基础上用变密度法建了弹射座椅结构优化数学模型，并建立了冲击载荷作用下弹射座椅的结构优化设计方法，运用OptiStruct 进行对弹射座椅进行结构优化设计实例计算,得到了能够满足冲击力作用的优化结构。关键词关键词:冲击动力学分析 动载系数 变密度法 拓扑优化 Abstract:Impacting loads are transformed into simulative dynamic loads using dynamic load factorBased on this fou

3、ndation,a numerical model for structural optimization of ejection seat was established，using Variable Density Method established And structural optimization method of the ejection seat under impact loads was establishedAn example for structural optimization was calculated by using OptiStructThen a o

4、ptimization structure which can satisfy the impact dynamic was obtained Key words:impact dynamics analysis；dynamic load factor；Variable Density Method；topology optimization 救生弹射座椅是军用飞机上重要的安全装置。由于在弹射和意外摔机过程中受到相当大的冲击加速度，有可能使座椅结构失效而导致救生失败。因此，要求弹射座椅具有足够的强度和刚度。同时，因为是机载设备，其重量的最轻化也是设计时所期望达到的，故对弹射座椅进行结构优化设计

5、就显得非常重要。但结构冲击动力学条件下，优化的每一轮迭代都必须进行一次乃至多次的结构动力重分析，其计算量往往很大，这也就使得在冲击条件下进行拓扑优化难以实现。鉴于以上问题，本文就针对弹射座椅，采用选取合适的动载系数的方法，将其转化为拟动载条件下的拓扑优化设计，运用 OptiStruct 进行对弹射座椅进行结构优化设计，并通过冲击动力学分析软件 LS-DYNA 验证优化结构，从而形成了弹射座椅的优化设计方法。2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集-3-1 结构优化设计方法结构优化设计方法 拓扑优化是研究结构构件的相互联接方式，结构有无孔洞、孔洞的数量位置等拓扑形式，使结构能在满足有关

6、平衡、应力、位移等约束条件下，预期的性能指标达到最优。目前常用的连续体结构优化方法主要有：均匀化法、变密度法、渐进结构优化算法等。其中，变密度法因其感念直观、易于程序实现，并且计算效率高而在实际工程中广泛采用，OptiStruct 即是采用该方法。变密度法是在均匀化方法的基础上发展而成的。其基本思想是引入一种假想的相对密度在01之间可变的材料，将连续结构体离散为有限元模型后，给结构中的每个有限单元指定相同的密度，并以每个单元的密度为设计变量。它直接假定设计材料的宏观弹性模量与其密度的非线性关系。模型的相对密度用eX表示，当eX=l时，则表示该单元为有材料，保留或增加该单元(实体)；当eX=0时

7、，表示该单元无材料，单元应当删除(孔洞)。材料模型为：()0eXx=()0EXxEe=式中，()x和()xE分别为材料的密度和弹性矩阵，0和0E分别为均质实体的密度和弹性矩阵。在进行拓扑优化时，为了产生清晰的拓扑结构，可以采用惩罚因子的办法。通过设定惩罚因子1p对中间密度单元进行有限度的惩罚，以尽量减少中间密度单元的数目，使结构单元密度尽可能向0或1集中，并分布在设计区域内。以结构的柔度为目标函数，考虑材料体积约束(质量约束)和结构的平衡的拓扑优化数学模型如下：Find ()TNieXXXXXLL,21=Min =NiiTipeTkuuXUFC1 s.t.0VVf=maxmin0XXXi KU

8、F=其中，()TNieXXXXXLL,21=为设计向量，取为相对密度，C表示结构的柔度，N为总单元数，F、U和K分别为整体荷载矩阵、位移矩阵和整体刚度阵，iu和k分别为单元位移阵和单元刚度阵，f为体积系数，V和0V分别为优化后的体积和初始体积，p为惩罚因子。minX为单元相对密的下限，即优化结果中相对密度小于该值的单元予以去除，从而形成孔洞。maxX为单元相对密的上限，一般取为最大值1。2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集-4-拟动载条件下的结构优化方法的基本思想是，选取合适的动载系数，将动载条件近似转化为拟动载条件，在拟动载条件下实现结构的优化设计，并对优化结构进行动力学验证分

9、析，间接实现动载条件下的结构优化。图1给出了拟动载条件下结构优化的流程。图 1 结构优化流程 在结构优化流程中，动载系数的选择应以原动载与静载条件下的分析结果对比为依据。首先，初步选取动载系数，再进行拟动载分析。若原动载与拟动载条件下的分析结果近似一致，则认为动载系数的选取较为合适，可进行下一流程操作；如不一致，则依据结果重新调整。如果原动载比拟动载条件下的分析结果大，则说明动载系数偏小，应适当加大动载系数值，重新计算对比，直至二者结果近似一致。同理，如果原动载比拟动载条件下的分析结果小，则按相反方向调节。同时，选取动载系数时，应使拟动力学与动力学计算出的应力、变形等结果的值及相应位置尽可能一

10、致，从而使其有较高的近似性。2 弹射座椅结构优化弹射座椅结构优化 弹射座椅在弹射过程中，一方面受到其结构本身因加速度a产生的冲击载荷，同时还受到由飞行员自身质量m产生的惯性力ma的作用。前者以体积力的方式均布于结构，而后者均布作用于下梁与前梁的上表面。其结构及所受冲击载荷分别如图 2、图 3 所示：124567 382007 Altair 大中国区用户技术大会论文集-5-1、上横梁 2、滑轨 3、肩带拉紧机构 4、中梁 5、下梁 6、侧板 7、前梁 8、椅盆 图 2 弹射座椅结构 图 3 所受的冲击载荷 据此建立弹射座椅的有限元模型，用图 3 所示的加速度对弹射座椅加载，运用 LS-DYNA进

11、行冲击动力分析。结果表明，座椅的冲击应力值与冲击载荷的变化趋势一致，并很快达到稳定。弹射过程冲击应力较大处的节点应力时间历程响应如图 4 中曲线所示。达到稳定时刻的冲击应力云图分别如图 5 所示：0.000.020.040.060.080.100.12050100150200250300Von Mises应力(MPa)时间(s)图 4 应力时间历程响应曲线图 图 5 冲击应力云图(Pa)2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集-6-建立拟动载条件下的有限元模型，以ga30=大小的重力加速度等效冲击加速度，以maF=大小的力等效由飞行员自身质量m产生的惯性力，并按实际情况分配于下梁及前

12、梁，运用 OptiStruct 进行静力学分析。分析结果如表 1 所示。表 1 不同载荷条件下应力对比 载荷 最大应力(MPa)最大变形(mm)冲击载荷 259 8.45 静载 175 6.78 拟动载 258 8.49 对比结果可知，拟动载条件下的应力小于相应的冲击结果。对比试算，最终选取动载系数vk=1.4，使得拟动载求解结果与原动力学分析结果基本一致，且最大应力及位移分别出现在相同的位置。针对该模型，在拟动载条件下进行拓扑优化。为保证座椅的顺利弹射及结构的完整，将结构 1、2、3 及侧板前缘设为非设计区域，其余部分为设计区域。以质量最小作为目标函数，原动载条件下的计算结果应力为约束条件，

13、同时满足强度条件，数学模型如下：Find ()TNieXXXXXLL,21=Min ()Mxf=s.t.x maxmin0XXXi 其中，()xf为目标函数，M为结构质量，为结构应力，x为许用应力，在此取260MPa。minX为单元相对密的下限，在此取0.3。maxX为单元相对密的上限，取为1，惩罚因子p取2.5。OptiStruct主要采用的是变密度法，在软件中可以方便地进行相应的控制设置，递交求解，共迭代33次，优化结构的材料密度云如图6所示。图 6 优化结构的材料密度云图 2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集-7-图 7 结构质量变化曲线 图7为优化过程中结构质量变化曲线，

14、结构质量由最初的16.68kg逐渐减小到12.48kg，减幅为 25.17%，实现了在原有应力约束下的轻量化的设计目标。依据优化结果，取eX0.3的结构，重新建立几何模型和有限元模型，运用 LS-DYNA 进行动力学验证分析，优化结构稳定时刻的冲击应力云图如图 8 所示。最大应力为 257MPa，最大变形 7.98mm，实现了应力控制在一定范围而重量有较大幅度减轻的优化目的。图 8 优化结构的冲击应力云图(Pa)3 结论结论 1)因为座椅的冲击载荷较为单一，主要是加速度场的作用，所以采用动载系数进行拟动载转化可以对实际作用效果进行较为一致的等效。如果是较复杂的载荷，可考虑针对每种载荷选取相应的

15、动载系数进行拟动载转化，并在线性范围内加以组合。2)拟动载条件的转化是一个近似的过程，并不能和原有动载条件完全吻合，但是通过建立合适的优化模型，对优化结构辅之以验证分析，可以确保该法的可行性及结果的有效性。2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集-8-3)拟动载的方法大大节约了运算时间，因为静力条件下的优化相对动载条件下的优化迭代运算要少得多，而冲击动力学分析要耗去大量的计算时间。4)具体的座椅结构需要考虑装配、加工及最终功能的实现等因素，对此，可在结构优化设计时，针对具体结构进行详细的设计区域与非设计区域的选择，从而使优化的结果更具真实性及最终的制造工艺性。4 参考文献参考文献 1

16、 顾松年，徐斌，姜节胜 结构动力学设计优化方法的新进展J 机械强度，2005，27(2)：156-162 2 贺朝霞，吴立言，李艳敏弹射座椅的冲击动力学分析研究J中国机械工程，2005，2(3)：201-204 3 Zhen Luo，Jingzhou Yang，Liping ChenA new procedure for aerodynamic missile designs using topological optimization approach of continuum structures JAerospace Science and Technology，2006，(10)：364-373 4 郝志勇，贾维新，郭磊拓扑优化在单缸机缸体轻量化设计中的应用J江苏大学学报，2005，7(4)：306-309