家用安全屋舱体结构的仿真与优化

家用安全屋舱体结构的仿真与优化
解少伟;张晔
【摘要】家用安全屋作为一种家庭用的避险设备,能够在紧急情况下有效地保障人身安全,因此其研究具有重要意义.首先对安全屋的舱体结构进行静载仿真分析,根据结果确定舱体壁厚、加强筋截面长度与宽度为优化参数,舱体最大变形与最大等效应力为首要优化目标,舱体质量为次要优化目标,利用UG与ANSYS Workbench 的协同仿真进行多目标优化,得到一组最优解,并将优化前后的仿真结果进行对比,为家用安全屋的结构设计与优化提供理论依据.
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2017(030)003
【总页数】4页(P14-17)
【关键词】家用安全屋;仿真;参数;结构优化
【作者】解少伟;张晔
【作者单位】合肥工业大学智能制造技术研究院,安徽合肥 230009;合肥工业大学智能制造技术研究院,安徽合肥 230009
【正文语种】中文
【中图分类】TH123
家用安全屋是一种家庭用的紧急避险设备，能在突发事故中为遇险人员提供一个安全的空间，有效保障人身安全。

家用安全屋体积微小精致，外形灵活多变，大致有球体形、椭球形、正方体形、柱形、扁平形等，可以因地制宜设计成衣柜或其他家
具的形状，也可以做成储物间或卫生间，一举两用[1]。

现阶段缺乏比较完备的家用安全屋设计规范和标准，可以参照矿用救生舱的设计标准要求，整体结构应该具有舱体结构、密封防火门、生命保障三个结构系统[2]。

家用安全屋的舱体结构优劣直接影响整个设备的结构强度大小，直接决定舱内避险人员的生命安全能否得到保障，其重要程度不可置否。

考虑到家用的安装和使用环境，安全屋的舱体结构可以参考矿用救生舱，采用模块化式设计，安装灵活方便，能够适应于各种大小的安装空间，而且采用长方体形能够很好地安置在墙角位置，空间布局更合理。

舱体结构的外壳采用高强度的压力容器板，内壁焊接加强筋，舱体分段之间采用法兰与螺栓连接[3]。

图1为家用安全屋舱体结构图及内部放大图。

结构静力学分析是最基础而又应用广泛的有限元分析方法，主要用于线弹性材料、静态加载情况。

结构受到静态载荷的作用，惯性和阻尼可以忽略。

由经典力学理论可知，物体的动力学一般方程为[4]：
[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}
式中：[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]是刚度矩阵；{x″}是加速度矢量；{x′}
是速度矢量；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量。

静载分析中与时间t有关的变量可以忽略，上式简化为：
[K]{x}={F}
ANSYS软件是大型通用有限元分析软件，提供广泛的工程仿真解决方案，适合用
于舱体结构的静力学仿真分析。

此种复杂装配件的仿真分析需要解决接触问题，ANSYS Workbench提供了自动接触分析的功能，可以自动探测导入的模型并建
立接触对，设计人员需要根据实际情况修改接触参数。

具体到安全屋舱体结构的接触情况，法兰之间采用Frictionless接触，螺母与法兰面之间采用Bonded接触，螺纹面与法兰孔之间采用Frictionless接触[5]。

网格划分方式为Hex Dominant
Method，单元类型选取SOLID187单元，共划分93 661个单元，274 422个节点[6]。

网格划分如图2所示。

舱体结构材料外壳采用高强度的压力容器板为18MnMoNbR，密度为7.85
g/cm3，杨式模量为206 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为400 MPa。

在舱体结
构的顶部施加0.05 MPa的均布压强设计载荷，底部采取固定约束。

进行有限元求解，查看结果得出舱体结构的最大变形值为7.318 6 mm，最大等效应力值为321.33 MPa，质量为5 444.5 kg。

变形和等效应力云图如图3～4所示。

舱体结构内壁需要涂布防火耐热材料，变形过大不利于材料的附着，仿真结果显示出舱体出现明显的变形；舱体结构强度需要考虑安全系数，留有一定的安全余量强度，设置安全系数1.5，最大等效应力值超出安全强度。

因此，舱体结构需要优化改进，以满足变形和强度的要求。

从图3和图4可以看出，舱体结构最大变形和
最大等效应力出现在外壳和加强筋上，应该首先考虑对外壳和加强筋进行优化。

家用安全屋的舱体结构设计一般参照矿用救生舱的设计方法，即外压压力容器的设计方法，根据经验公式进行理论计算，优化分析时需要重新计算校核，难以完成寻优设计。

机械优化设计作为一种可靠高效的科学设计方法，能够帮助设计者从传统的分析、校核工作中解放出来，进行主动设计，极大地提高了设计效率和水平[7]。

随着三维CAD软件参数化建模技术和CAE技术的发展，二者的协同优化能够更
快捷地实现舱体结构多个参数的优化设计。

UG与ANSYS Workbench之间有良好的接口，可以实现从UG到ANSYS Workbench的参数化模型传递。

在UG中建立参数化模型需要用到工具中的表达式功能，用参数表达零件的形状尺寸和位置尺寸。

其中有两个问题需要注意，首先，需要设置参数名的前缀，保证传递到ANSYS Workbench中的参数能够被识别，默认的前缀是DS_。

其次，模型参数的变化可能会受到模型约束的限制，导致模
型随参数变化时更新失败，需要对建立好的模型进行一些相应的测试，确保模型能
够顺利更新[8]。

装配件模型的仿真优化需要重点解决组件之间的接触问题，因为接触过程是高度的非线性过程，收敛复杂，应该设置合理的接触关系模拟实际的传力情况。

装配件模型整体优化较困难，解决方法是对装配体中重要部件进行单独优化。

这里选取舱体结构中强度相对较弱的中间段，薄弱位置强度提高后整体强度也会随之提高。

由前文分析可知，优化参数可以选取外壳厚度DS_BH、加强筋截面长度DS_JQJC和宽度DS_JQJK。

(1) 结构优化的数学模型
结构优化的数学模型通常采用目标函数、约束条件表达式以及设计变量共同描述。

舱体结构的最大变形f1(X)、最大等效应力f2(X)和质量f3(X)可以作为优化的设计目标。

理论上而言，三个设计目标达到最小值即可得到目标函数的最优解，但是舱体质量与最大变形、最大等效应力大致呈负相关关系，一般的优化方法难以实现。

ANSYS Workbench的优化模块提供了一种多目标优化遗传算法(Multi-Objective Genetic Algorithm，MOGA)，该种算法基于最优个体概念，对试验样本点进行从优到劣的排序，选择靠前的个体并遗传到下一代样本点，经过一定代数的循环，可以求得目标函数的最优解[9]，而且运行效率高，相对容易实现，很好地解决了这一问题。

舱体结构优化的数学模型表示如下：
目标函数：
约束条件：
设计变量：
X=[P1,P2,P3]T
其中:P1代表加强筋截面宽度参数DS_JQJK；P2代表外壳厚度参数DS_BH；P3代表加强筋截面长度参数DS_JQJC。

(2) 优化设置
舱体结构中间段建模的三个参数加强筋截面宽度DS_JQJK、外壳厚度DS_BH和加强筋截面长度DS_JQJC可以作为优化分析的输入参数，设置参数的上下限值，具体如表1所示。

舱体结构中间段的质量、最大等效应力和最大变形设置为输出参数，期望三个输出参数都达到最小值，但在多目标优化过程中，多个目标函数很难同时求得最优解，往往一个目标函数的最优解会导致其他目标函数解的劣化，甚至各个目标函数的优化求解会相互对立。

因此，在优化求解过程中需要调整好各个目标函数之间的关系，设置目标函数求解的重要性程度[10]。

相比质量而言，舱体结构的变形和等效应力更为值得考虑，在保证变形和应力的目标函数求得优化解的前提下，再考虑质量的优化。

具体可以在ANSYS Workbench优化模块的决策支持过程中设置变形和应力目标函数的重要性为Higher，质量目标函数为Lower，类型都为Minimize。

(3) 优化分析结果
参数设置完成后，更新优化项目，可以得到150个试验设计点。

输入参数对输出
参数的影响程度，即敏感度如图5所示。

从图5中可以看出，三个输入参数对舱体质量的影响都呈正相关的关系，其中，
壁厚的影响最大，加强筋截面宽度影响次之，加强筋截面长度影响略小于宽度。

三个输入参数对舱体结构的最大变形和最大等效应力的影响都呈负相关的关系，而且单个输入参数对变形和应力的影响大致相同，符合式(2)的理论预期；其中，加强
筋截面宽度对变形和应力的影响都为最大，壁厚的影响次之，加强筋截面长度影响为最小。

试验点的输入参数和输出参数的数值关系可以用响应面表示[11]，从对敏感度图的分析可知，相同参数的最大变形响应面和最大等效应力响应面相似，并且壁厚和加强筋截面宽度对三个输出参数影响较大，研究二者的质量、变形和应力响应面更具
研究价值，因此，根据试验设计点生成了壁厚和加强筋截面宽度的质量响应面及其最大变形响应面，如图6、7所示。

ANSYS Workbench的优化模块会根据约束条件及决策设置条件从生成的试验设
计点中优选出3个候选点，设计者可以从中选出最优解，如图8所示。

从图8可以看出，1号候选点在变形和应力方面有较大改善，质量略微增加。

因此，选取1号候选点作为结构优化的最优解，对输入参数取整，作为新的舱体结构参数。

通过对舱体中间段参数化建模，并结合ANSYS Workbench进行优化分析，得出一组舱体结构参数的最优解，以此组参数更新舱体整体结构，施加相同约束和载荷，仿真计算结果如图9、10所示。

优化后舱体结构质量为6 209.9 kg，最大变形值为5.114 5 mm，最大等效应力
值为108.41 MPa，与优化前的仿真结果进行对比，对比结果如表2所示。

从表2可以看出，优化后舱体结构质量有所增加，最大变形值和最大等效应力值
大幅减小，说明在没有增加过多材料的情况下，舱体结构强度得到了大幅度的提升。

通过对家用安全屋的舱体结构进行静载仿真分析，发现结构不满足安全强度的要求，影响强度的参数主要有加强筋截面尺寸及外壳壁厚，利用参数化建模与ANSYS Workbench的多目标协同优化，找到了一组参数最优解，改善了舱体的结构性能，为家用安全屋的舱体结构设计和优化提供了理论依据。

【相关文献】
[1] 王吉利.家用救生舱的设计与研究[D].青岛：青岛科技大学, 2014.
[2] 顾玉明.矿用可移式救生舱舱体结构设计及强度分析研究[D].淮南：安徽理工大学,2013.
[3] 高广伟,张禄华.煤矿井下移动救生舱的设计思路[J].中国安全生产科学技术,2009(8):162-164.
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