明轮式船舶推进器的蹼板结构优化设计

0 引言

建造实体模型、进行有限元分析的最终目的是为进行优化设计（Optimization），寻求满足预定目标的最佳设计。

在仿真软件Pro/E当中这一过程可以依次通过局部灵敏度分析，全局灵敏度分析灵敏度分析（Sensitivity）以及优化设计来实现。

灵敏度分析为优化设计所作的铺垫工作，简单说，就是筛选设计参数。这种筛选作用体现在两个方面：一方面，在众多设计参数中确定哪些设计参数是重要设计参数，这些重要设计参数将是设计时着重考虑的。如果这些设计参数都用于优化设计，将导致计算量庞大。

另一方面，进一步研究这些重要设计参数，为这些设计参数确定用于优化设计的变化范围，进行优化设计时，要选定设计参数并给出设计参数的变化范围，从而在这些设计参数的变化范围中寻求最佳设计。

所以，灵敏度分析的一般思路为：（1）进行局部灵敏度分析，确定主要参数对模型性能的影响程度。（2）对那些对模型性能影响大的参数，进行全局灵敏度分析[1]。

通过灵敏度分析，可以掌握设计参数对模型性能的影响程度，并确定出对模型性能影响最大的参数。那么如何调整这些参数的数值，使期望的性能达到最佳，这就是优化设计问题了。

优化设计是由用户指定研究目标，约束条件（包括几何约束条件和物性约束条件）、设计参数、然后在参数的给定范围内求解满足研究目标和约束条件的最佳方案[1]。

1 蹼板组件受力分析

在前期研究中已经对蹼板做了受力分析。其结果是单个蹼板的受力F=570N[2]。由于是焊接件，蹼板采用焊接性能良好的Q215A进行加工。其抗拉强度为σb=335MPa[3]，由于蹼板承受交变载荷，并且是焊接件，工作环境为空气和水交替，所以选择安全系数取为5[4]，确定许用应力[σb]=67MPa。

图1 蹼板简图

2 局部灵敏度分析

将受力添加到模型中，并且将材料设定为钢。在蹼板垂直滑水的瞬间，认为蹼板在支撑架和连杆的共同作用下，是静止的，设定蹼板的两侧长轴和短轴5个自由度是完全受限制的，只有轴向转动是自由的。

设计蹼板厚度 δpb＝0.003m； 筋板厚度 δjb＝0.004m； 筋板长度 Lj＝0.165m；长轴大径为dcz=0.03m；短轴大径ddz=0.03m；长轴小径dcx=0.018m；短轴小径ddx=0.018m；计算得最大应力值σb=60MPa，而许用应力[σb]=67MPa，蹼板简图如图1所示。针对这一零件，通过灵敏度分析和优化设计获得强度符合要求，重量最轻的尺寸匹配。

在设计过程中，为了实现合理规则、最理想策略、最佳方案的最优系统设计，通常必须经历修正原有分析模型中参数的反复迭代的重复分析过程。为此，为了缩短设计周期和减少研发费用，首先应进行灵敏度分析[5]。

在做灵敏度分析之前，要在MECHANICA模块界面下的“分析”－“MECHANICA设计控制”－“Design Params”中设定要分析的参数和各个参数的变化范围，在后续的灵敏度分析和优化设计时，计算机将会在这些参数和参数的变化范围内进行灵敏度分析计算和优化设计计算。

在“分析”－“MECHANICA 分析/研究”－“New Design Study”中进行灵敏度分析和优化设计计算的设定。

首先对应力值相对于每个参数变化的敏感程度进行分析，即进行局部灵敏度分析。进行局部灵敏度分析可以对参数进行初等筛选，判断哪些参数对性能影响较大，从而缩小研究范围。局部灵敏度分析结果如图2所示。

图2 局部灵敏度分析结果

局部灵敏度分析结果表明，蹼板厚度、筋板厚度、筋板长度、长轴小径和短轴小径对应力影响较大，而长轴大径和短轴大径对应力的影响很小。在后续的全局灵敏度分析中，略去对这两个参数的考虑，以提高分析效率。

3 全局灵敏度分析

在局部灵敏度分析中已经粗略研究模型和总质量随参数改变而发生变化的情况，并筛选出了五个参数作进一步研究。针对每个设计参数建立一个全局灵敏度分析任务。

进行全局灵敏度分析，可以确定参数对模型某一性能的整体影响，尤其对于参数在变化过程中可能引起性能发生突变时，就显得尤为重要了。

通过全局灵敏度分析运算，得出随个个尺寸在一定范围内变化时，最大应力值、总质量等的变化趋势。图3为等结构尺寸变化时最大应力随之变化的曲线。分析表明，应力对筋板长度、筋板厚度的全局灵敏度不灵敏。因此确定蹼板厚度、长轴小径和短轴小径为优化参数。

图3 全局灵敏度分析结果

4 优化设计

通过分析，确定蹼板的应力对蹼板厚度、长轴小径、短轴小径变化最敏感。如何保证模型的应力值不超过许用应力的前提下，尽可能达到质量轻、体积小、形状合理，这就是优化设计的研究内容。优化设计是由用户指定研究目标、约束条件、设计参数，然后在参数的给定范围内求解出满足研究目标和约束条件的最佳方案。

优化目标：质量最小；

优化约束：最大应力不超过材料的许用应力67MPa，优化参数：蹼板厚度、长轴小径、短轴小径；

设定参数变化范围：0.001≤δpb≤0.007m；0.016≤dcx≤0.020m；0.016≤ddx≤0.020m，优化界面如图 16。

经过优化，在取 δpb＝0.00197m、dcz=0.01716m、ddz=0.01841m，其余参数不变的情况下，σ=66.77MPa＜67MPa，能够满足应力要求。经过圆整，确定δpb＝0.002m、dcz=0.0172m、ddz=0.0185m。通过上述优化获得了满足应力要求且结构合理的蹼板结构尺寸。

5 结论与讨论

原始参数中蹼板厚度δpb＝0.003m；长轴大径为dcz=0.03m；短轴大径 ddz=0.03m；筋板厚度 δjb＝0.004m；筋板长度 Lj＝0.165m；短轴大径 ddz=0.03m；长轴小径dcx=0.018m；短轴小径ddx=0.018m；计算得最大应力值σb=60MPa。经过对蹼板结构尺寸进行局部灵敏度和全局灵敏度分析，获得蹼板应力对蹼板厚度δpb、长轴直径dcz和短轴直径dd的变化敏感；通过对这三个参数的优化，获得当取δpb＝0.002m、dcz=0.0172m、ddz=0.0185m，其它尺寸不变时σb=66.77MPa＜67MPa，从而得到优化了的蹼板结构尺寸。

［1］张继春.Pro/ENGINEER Wildfire 结构分析[M].北京：机械工业出版社,2005：2-3,105-152.

［2］韩青松,尚士友,王志国,殷晓飞.基于Pro/E的9GSCC-1.4型水草收割机明轮装置的建模与仿真[J].

［3］徐灏.机械设计手册（第一卷,第三篇）[M].北京：机械工业出版社,2002：232-235,39.

［4］[日]土屋喜一.机械实用手册[M].北京：科学出版社,2003：49-51.

［5］将先平.汽车主要总成参数关于操纵稳定性的灵敏度分析及优化[M].长春：吉林大学,2005.