基于遗传算法的钉孔布局设计优化.pdf
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1、:./.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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
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