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          埋地排水用塑料中空管道結構的優化設計(二)

          來源:互聯網????作者:朱紅紅??郭斌??周紀潤

          3.1? 基于現有截面形狀的尺寸優化設計

          3.1.1 關鍵尺寸的DOE分析

          運用DOE(DesignofExperiment)方法,對現有截面的三個關鍵尺寸參數:外壁厚度T_〇UTER,內壁厚度TJNNER,內外壁內加強筋寬度T_R舊進行試驗設計,圖3給出了三個尺寸設置范圍(內外壁厚不得低于1.8mm[4]),每個尺寸區間內取值6個,共組合出512組不同水平的尺寸組合(圖4),將六級環剛度試驗條件下管道變形量作為試驗響應,基于仿真分析手段,評估各參數對環剛度的貢獻率,從而發現如何控制各參數,找到達到較優環剛度的尺寸組合。

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          圖3 三個尺寸的設置區間

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          圖4 DOE分析的尺寸組合

          鑒于要分析的試驗數量較多,采用了相對簡化的仿真模型進行計算分析,從而快速獲取各尺寸組合下的試驗響應,評估比較三個尺寸因子對環剛度的影響大小,具體仿真模型如下圖5:對前述管道結構抽取中面,對內外壁及加強筋賦予殼單元的屬性(其中厚度值在HyperStudy中被設置為可變參數),上下壓板則使用集中力和固定約束進行替代,采用OptiStruct進行靜力計算。由于模型進行了簡化,對應原始結構樣品的尺寸設置,使用該模型計算的管道變形量為17.31mm(圖6),將此數值作為后續DOE分析各試驗點響應量的比對基準。

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          圖5 原有管道簡化仿真分析模型

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          圖6 簡化模型的分析結果

          3.1.2 DOE結果分析

          通過上述DOE試驗設計得到分析結果,可直觀看出各尺寸對環剛度的影響程度,如下圖7展示了三個尺寸因子變化對環剛度的影響,斜率越大的表示影響程度越大,可看出三個尺寸參數影響最大因子為加強筋寬度(T_RB),其次為外壁厚度(T_〇UTER),最后為內壁厚度(TJNNER),由此分析可對后續優化設計提供指導,在尺寸用量上按上述影響程度相對加減,從而找到滿足性能且可省材的尺寸組合。

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          3.1.3 尺寸優化設計

          基于上述512組DOE分析結果,以前述仿真簡化模型的變形量計算結果17.31mm作為比對基準,從計算結果中挑選變形量低,并符合上述DOE分析的尺寸用量趨勢且用材較省的尺寸組合進行再優化設計,繪制詳細幾何,然后進行該幾何結構與原始方案精確仿真分析模型的環剛度仿真對比驗證,以確定優化方案的可行性。圖8給出了參照第142組尺寸組合設計的優化方案,其截面面積為8325.86mm2,比原始結構截面面積減少2.15%,

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          圖8 基于DOE計算結果的尺寸優化方案

          3.1.4 尺寸優化方案的仿真驗證

          采用前述擬合的材料參數,使用3d實體單元建立該優化方案的細化有限元分析模型,載荷條件同原有結構的六級環剛度測試載荷,使用RADIOSS進行求解,仿真結果如下圖9,優化方案管道垂直方向變形為12.42mm,略低于原始結構變形量,驗證了優化方案的可行性。

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          圖9 尺寸優化方案與原始方案的仿真結果比對

          3.2 截面結構的全新設計

          3.2.1 截面結構的拓撲優化

          從前面DOE分析來看,內外壁空間內的加強筋對環剛度貢獻最大,因此考率尋求最佳的加強筋布置形式,從而使環剛度最大化。采用拓撲優化手段,將內外壁內空間設置為設計空間,利用solidThinkingInspire對該空間進行符合最佳承力的拓撲優化分析,具體拓撲優化結果如下圖10。

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          3.2.2 方案設計和仿真驗證

          基于上述拓撲優化分析結果進行方案的詳細設計,如圖11給出了一種設計方案,其截面面積相比原始結構減少8%。同樣使用HyperMesh建立該優化方案環剛度測試的細化仿真模型,RADIOSS求解變形量,以驗證該方案的環剛度。仿真結果見圖12,原有結構6級環剛度的測試載荷水平下,優化方案管道垂直方向變形量為11.63mm,低于原始方案的12.5mm,該優化方案不僅做到了大量減材且提高了產品環剛度水平。

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          圖12 優化方案與原始方案環剛度的仿真結果對比

          4 結論

          通過HyperWorks系列軟件建立了埋地排水管道環剛度測試的仿真分析模型,并基于HyperStudy平臺,擬合得到了使得仿真貼近實測的材料參數;運用DOE方法評估了原有管道內外壁厚度和加強筋寬度對管道環剛度的影響程度,結果表明加強筋寬度對環剛度貢獻最大,次之為外壁厚度,最后是內壁厚度;基于DOE分析結果,對原有管道結構進行了尺寸優化,設計了一種同時使得截面面積減少2.15%且仿真表明環剛度不差于原始結構的優化方案;運用solidThinkingInspire對管道截面進行拓撲優化,找到了一種新型加強筋布局形式,據此設計的優化方案截面面積減少8.0%,且經仿真驗證表明,該方案可達到比原始結構更加優秀的環剛度。

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