基于遗传算法的钉孔布局设计优化.pdf

:./.基于遗传算法的钉孔布局设计优化乔 冰李凡凡杜 娟(西安爱生技术集团有限公司陕西 西安)摘 要:该文建立了铆钉连接的有限元三维接触分析模型通过预紧力单元法施加预紧力以螺钉 坐标为优化变量以螺钉的最大应力最小为优化目标运用 编写遗传算法程序实现 联合仿真优化 通过对铆钉位置的优化提出了一种工程上对铆钉布局进行优化的新方法 该方法可设置指定指标为优化目标包括板的最大应力、螺钉的最大应力、板的挤压应力等通过惩罚函数实现约束可实现工程连接件某个目标的优化关键词:预紧力遗传算法铆钉布局优化中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言飞机的机翼由梁、肋、蒙皮等构件装配而成而螺钉连接是飞机装配中最常用的连接方式之一 传统螺钉连接布置并未将螺钉强度优势完全发挥因此造成个别位置的螺钉连接效率低达不到螺钉连接效率最大化为了降低螺钉与连接构件之间的应力提高螺钉连接效率笔者基于有限元方法以螺钉位置坐标为变量简化内外翼连接区域模型进行螺钉参数化实体建模并提出一种带约束的遗传算法对螺钉位置进行优化设计这种新方法为以后飞机连接区域设计提供一种新的设计思路 遗传算法的特点遗传算法模拟了染色体的数字串形成群体的进化过程它通过遗传、变异等方式来形成适应性更好的串最终形成一个新的群体这个群体带有这些适应性更好的数字串遗传算法具有如下优点:能够广泛的表示可行解遗传算法是在群体里进行搜索不用借助其他辅助信息在使用过程中难以进入局部最优容易找到全局最优解 预紧力的施加方法当螺栓数量较多时用接触分析实现计算会导致计算量过大、用时过多这时需要将螺栓简化为杆元或者梁元即螺栓不采用实体建模而是线状单元模拟 它的端点为两个点只需将其和螺栓孔周围的节点建立 方程或者做节点耦合将力作用于中心节点处便能有效模拟螺栓连接当螺栓数量较少时并且其直径较大这时采用实体单元进行模拟 在装配时首先需对螺栓连接进行拧紧也就是当螺栓承载真实载荷之前先对其施加力来保证连接件之间能够相互接触这一行为被称为预紧 在有限元软件 中通常通过三种方法模拟螺栓的预紧行为()降温法 物体会因为温度降低而产生变形倘若在变形中受到阻碍那么就有拉力产生 通过此思路可以将螺栓预紧力引起的螺栓变形转化成由温度降低引起的相同变形采用降低温度实现螺栓预紧 此方法的必要条件是螺栓材料受温度影响会产生明显变化即热胀冷缩性能较好制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:乔 冰()男陕西合阳人工程师研究方向:无人机结构设计()渗透接触法 首先对螺栓在给定预紧力影响下的初始变形量进行计算螺栓杆变形量:()被螺杆连接的连接件变形量:()总的变形量:()建立的螺杆长度的定义应是真实长度减去在给定预紧力下螺杆和连接件的总变形量当对接触定义结束后会出现螺杆被拉伸及其被连接件受压的现象可模拟出螺栓承受预紧力的作用()建立预紧力截面单元法 单元类型中有弹簧单元 它一般用来定义预紧力单元然后建立预紧单元并施加预紧力实现螺栓预紧操作命令形式:该命令则是创立一个预紧截面每个参数都有不同的意义 预紧力截面描述如图 所示图 预紧力截面描述 钉孔连接结构的参数化建模飞机结构的连接主要依赖于螺钉连接为有效提高螺钉连接效率需对其连接位置进行合理优化文中提供的螺钉优化分析的方法可以根据工程需要改变优化目标通过实际情况设定优化变量以满足工程需求 因此对于某型歼击机内外翼连接区域的模型进行相应的简化 建立上下板长都为 板宽都为 高度都为 的等厚度板并在板上建立 个螺钉模型针对上述模型基于有限元软件进行二次开发编写参数化语言 为了提高结果的准确性建立螺钉板实体有限元模型螺钉与板之间连接定义为非线性接触 为了优化设计将螺钉 坐标作为优化变量同时考虑螺钉预应力摩擦系数 加载方式为单压的载荷使螺钉处于单剪的受力状态预紧力根据之前的预紧力截面的设置方法按照参考文献设置其大小为 根据某型飞机连接区域的设计参数建立螺钉的螺杆直径为 螺帽直径为 螺母直径为 采用 实体单元螺钉的杨氏模量为 材料为不锈钢屈服极限为 板的杨氏模量为 材料为铝合金屈服极限为 摩擦系数设为.螺钉预应力为 文章采用上端约束下端施加 的面载荷孔行间距为 列间距为 孔边距为 考虑到螺钉实际是处于一个三向应力的状态因此以 等效应力不大于极限应力为设计标准而且采用的 等效应力能有效而安全地设计出复杂载荷下螺钉位置 建立传统有限元模型如图 所示简化螺钉形状如图 所示图 螺钉连接有限元模型 图 螺钉模型 经过有限元软件分析计算板的应力结果如图 所示 等效应力为 螺钉受力如图 所示最大应力为 各螺钉及板应力如表 所列图 板受压情况板的应 图 板受拉情况螺钉的力云图应力云图表 各螺钉及板应力表/编号螺钉应力板应力编号螺钉应力板应力/机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)制造业信息化对于此种单向载荷的情况下从表中可以看出螺钉最大应力为 最小螺钉应力 承载很不均匀结构效率不高 因此可以通过遗传算法适当降低螺钉应力提高结构效率 优化方案传统的遗传算法多为无约束情况下的优化设计该文采用带约束的遗传算法设计 以螺钉 坐标为优化变量以螺钉的最大应力最小为优化目标 用 编写遗传算法程序实现 联合仿真优化算法流程如图 所示图 遗传算法的流程图 工程实际中两个螺钉的中心位置不能太近如果太近不仅不满足工程实际 的计算结果也不收敛因此孔间距必须大于 对于孔边距根据飞机设计手册要求大于.因此孔边距采用 作为约束条件 关系式为:()()()式中:()是以螺钉 坐标为自变量螺钉最大应力为函数值的函数(函数值由 计算结果提供)的约束主要是对孔边距的限制 为各个螺钉之间的间距此约束主要是对孔间距的限制带约束的遗传算法需要加入惩罚因子 如果遗传算法产生的随机种子不能满足螺钉间距要求则对其适应度值赋予一个大值在后代中可以直接将其淘汰掉并且这样的子代也不需要带入有限元软件中去计算节约了优化时间 优化结果使用遗传算法经过每代 个个体总共计算 代后的结果如图 所示 螺钉的最大应力降为 与优化前螺钉的最大应力结果 相比下降了.图 螺钉优化后的应力云图 平板应力如图 所示 分析结果显示平板最大应力上升为 与优化前平板的最大应力结果 相比上升了.螺钉优化后的坐标如表 所列 优化后各螺钉及板的应力情况如表 所列图 平 板优化后的应力云图表 各螺钉位置编号 坐标 坐标.表 优化后螺钉及板的应力情况/编号螺栓应力板应力/通过比较上表可以发现以螺栓应力为目标以螺栓 坐标为变量进行优化可以对螺钉位置进行重(下转第 页)制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用续表 焊缝 结构应力计算结果对比节点号(焊缝前 个节点)求出的结构应力/文中方法求出的结构应力/节点号(焊缝后 个节点)求出的结构应力/文中方法求出的结构应力/.注:上表中节点号按照距离焊缝 起始节点 的距离的升序排列 将节点 赋予新序号 则两种方法的结构应力计算结果对比图如图 所示图 两种方法的结构应力计算结果对比图 由表 和图 可知该方法求得的结构应力与 的计算结果相比总体上的变化趋势相近且具有很高的一致性由此可知对于有限元模型中的所有焊缝节点文章的节点力提取方法具有较高的准确性 结 语文章以一个地铁车焊接构架为例提出了一种借助 提供的结果文件读取器()进行编程的方法以提取 文件中的节点力的方法并借助基于主 曲线法的焊接结构疲劳寿命计算软件 验证了提取结果的准确性为使用主 曲线法进行焊接结构疲劳评估与设计的工程与研究人员提供了思路与帮助参考文献:兆文忠李向伟董平沙等.焊接结构抗疲劳设计理论与方法.北京:机械工业出版社.梁树林聂春戈王悦东等.焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用.大连交通大学学报():.彭李想.基于主 曲线法的轨道车辆转向架构架焊缝疲劳分析.现代制造技术与装备():.马 斌谷翠军徐先伟等.一种读取 文件中节点力信息的方法.计算机辅助工程():.凌扬超米彩盈.基于 结果文件的结构强度可视化研究.机车电传动():.卢耀辉向鹏霖曾 京等.铁道客车焊接构架疲劳强度评估方法.北京交通大学学报():.孙晓莹.基于主 曲线法的转向架构架关键焊缝疲劳寿命评估.大连:大连交通大学.(上接第 页)新排布有效降低螺栓应力但与此同时需要以增加板的应力为代价 结 语文中提出了一种基于遗传算法的铆钉位置优化方案 该方案建立了简化的铆钉连接件参数化三维有限元模型设置多个变量创建预紧力截面施加单元预紧力通过带有惩罚函数的遗传算法对钉孔排布进行多次迭代优化求解最终确定钉孔的最优位置实现了降低铆钉应力的目标在工程中具有指导意义 除此以外还能进行多参数优化设置多个变量以需求为目标进行优化为工程实际应用提供了一种铆钉位置优化的新方法参考文献:杨海波.飞机连接接头的细节应力分析与优化设计研究.西安:西北工业大学.:.初泰安.螺栓拧紧方法及预紧力控制.化工设备与管道():.乔 冰.机翼内外翼连接区域结构优化设计研究.西安:西北工业大学.雷英杰 张善文.遗传算法工具箱及应用.西安:西安电子科技大学出版社.徐明波 冯琳娜.带约束的遗传算法理论研究及其在某型飞机耳片优化设计中的应用.科学技术与工程():.制造业信息化 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用