一种锚链轮结构优化方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111950090A(43)申请公布日2020.11.17(21)申请号202010837072.7G06F111/04(2020.01)(22)申请日2020.08.19G06F111/06(2020.01)G06F119/14(2020.01)(71)申请人江苏科技大学地址212003江苏省镇江市京口区梦溪路2号申请人江苏科技大学海洋装备研究院(72)发明人陈超王杰王震张志昂刘士钦(74)专利代理机构北京一格知识产权代理事务所(普通合伙)11316代理人万小侠(51)Int.Cl.G06F30/15(2020.01)G06F30/23(2020.01)G06F30/27(2020.01)权利要求书2页说明书5页附图3页(54)发明名称一种锚链轮结构优化方法(57)摘要本发明涉及一种锚链轮结构优化方法，其特征在于：具体优化方法如下：S1：锚链轮模型建立；S2：锚链轮的有限元网格划分；S3：添加锚链轮载荷和边界条件；S4：预应力模态分析；S5：基于多目标遗传算法的尺寸优化；S6：对比分析；本发明中针对锚链轮质量轻、动态特性好的设计要求，对锚链轮进行瞬态动力学分析和预应力模态分析，确定了锚链轮的可优化空间，为其减重设计提供了科学的理论依据；在锚链轮原模型力学分析的基础上，建立其结构优化数学模型，利用多目标遗传算法对其进行尺寸优化，确定最优解集，并通过瞬态分析确定优化锚链轮尺寸的最终结构，实现了锚链轮减重的目的，同时使锚链轮的强度、动态特性以及抗振性能得到了提高。CN111950090ACN111950090A权利要求书1/2页1.一种锚链轮结构优化方法，其特征在于：具体优化方法如下：S1：锚链轮模型建立：采用三维软件进行锚链轮的三维建模，去掉螺栓孔及倒角，简化锚链轮模型，并定义锚链轮的材料属性；S2：锚链轮的有限元网格划分：综合考虑计算量及其计算精度，设置单元格大小为40mm，采用自由网格划分方式，进行锚链轮的划分形成多个网格单元和节点，并创建锚链轮有限元网格模型；S3：添加锚链轮载荷和边界条件：锚链轮在工作时简化为只有一个齿与锚链轮啮合，由于锚链轮的受力区域为曲面，难以确定受力的方向，采用在曲面上所受的压力来代替锚链轮和锚链的啮合力；S4：预应力模态分析：S4.1：添加载荷及约束：在S2中创建锚链轮有限元网格模型中对锚链轮受力曲面添加啮合曲面所受的压力，其方向垂直于受力曲面，同时在锚链轮内孔面添加圆柱约束，约束锚链轮径向运动和轴向运动，只允许其周向转动；S4.2：模态求解：通过预应力模态分析系统中，模态分析面板设置模态阶数为前6阶模态，进行求解；得出锚链轮的前三阶模态及后三阶模态，并判断锚链轮动态特性是否满足要求；S5：基于多目标遗传算法的尺寸优化：S5.1：优化模型的建立：锚链轮轮毂的厚度d1、两侧壁的厚度d2、d3为设计变量，锚链轮的最大应力为约束条件，最小化质量为优化目标，构建锚链轮尺寸优化数学模型为：S5.2：尺寸优化：根据建立的锚链轮尺寸优化模型，采用多目标遗传算法优化设计模块对锚链轮进行多目标遗传算法的尺寸优化；具体为：采用种群总数为100，交叉概率和变异率分别设为0.8和0.1，最大迭代次数为40以及最大候选点个数为3；同时设置锚链轮质量函数最小化和一阶频率函数最大化，并约束最大应力小于许用应力值；其优化迭代过程以Pareto解集前沿分布80％的样本收敛，最终经过40次迭代之后得到了一组Pareto最优解集；S5.3：瞬态动力学分析：以锚链轮过载时刻为中心，分析过载时刻前后共计0.1s时间内锚链轮所受应力的变化情况；设置锚链轮瞬态分析初始时间载荷步为0.0025s，最小时间和最大时间载荷步分别为0.0025s和0.01s，且计算时间周期为0.1s；并添加一个转动副,在锚链轮上同时给定一个转速，使锚链轮在前半个周期0.05s内迅速加速到1rad/s，并在后半个周期0.05s内保持匀速转动；同时将计算的压力载荷添加到啮合曲面，并确保载荷在0.05s内迅速增加到最大值，在结束时刻减小到0；分析得出锚链轮在过载时刻前后的应力变化情况，并确定最佳优化结构；S6：对比分析：对最佳优化尺寸作圆整化，并将优化后的锚链轮模型再次进行静力学分析和模态分析，分析对比优化前后锚链轮模型各性能参数，验证其优化结构的合理性。2.根据权利要求1所述的一种锚链轮结构优化方法，其特征在于：所述S1中锚链轮的材2CN111950090A权利要求书2/2页料属性为：弹性模量为2.11×105MPa，泊松比为0.311，密度为7.83g/cm3；其屈服强度和抗拉强度分别为230MPa和460MPa。3CN111950090A说明书1/5页一种锚链轮结构优化方法技术领域[000